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20 de agosto de 2010

O ritmo das rochas


Os relógios atômicos hoje são os mais precisos dispositivos de medição de tempo. Antes deles, todavia, o método mais preciso que tínhamos para marcar o tempo era usando pedras.

Os cientistas franceses René Just Haüy (1743-1822) e Antoine César Becquerel (1788-1878), estudiosos da piroeletricidade (acúmulo de eletricidade causada pela mudança de temperatura), já haviam prenunciado alguma relação entre eletricidade e pressão mecânica. Os irmãos franceses Paul-Jacques (1856-1941) e Pierre Curie (1859-1906, marido de Marie Curie) aliaram a isso seus conhecimentos de estruturas cristalinas e, em 1880, provaram que cristais submetidos a pressão acumulavam eletricidade, o que foi chamado de piezoeletricidade. Os cristais que demonstraram maior piezoletricidade foram o quartzo (ou dióxido de silício, SiO2) e o sal de Rochelle (ou tartarato de sódio e potássio).
Simplificadamente, o efeito piezoelétrico -- que gera piezoeletricidade -- ocorre porque um minério não deformado tem um sistema elétrico estável, com polarização equilibrada. Ao aplicar a pressão, o minério se deforma, sua estrutura se altera, o sistema elétrico se desestabiliza e ocorrem variações de polarização, gerando um potencial elétrico. Mantida determinada pressão, o sinal elétrico é emitido sempre com a mesma periodicidade, devido à ressonância do material deformado. Mais simples ainda: apertando o cristal, ele se estica e seus pedaços se afastam e se esfregam, gerando eletricidade, e se continuar apertando, essa eletricidade continua em intervalos regulares.
O fenômeno permaneceu por algum tempo sem aplicação. O efeito piezoelétrico reverso, que faz cristais mudarem de forma ao serem submetidos a eletricidade, deduzido por Gabriel Lippman (1845-1921), foi provado pelos Curie em 1881. Aplicações só foram possíveis após 1910, quando Woldemar Voigt (1850-1919) publicou em detalhes propriedades piezoelétricas de 20 classes minerais.

Depois da primeira aplicação em 1917 em um detector ultrassônico de submarinos, foi inventado o primeiro oscilador cristalino em 1918, usando sal de Rochelle, por Alexander M. Nicholson dos Laboratórios Bell. Contudo, foi o estadunidense Walter Guyton Cady (1874-1974) que inventou o primeiro oscilador de quartzo e publicou em 1922 um artigo sobre o uso de sinais piezoelétricos como padrão de frequência para calibração. Um oscilador é um material elástico cortado em tamanho e forma de modo a regular sua frequência de ressonância natural, montado e comprimido para receber uma carga elétrica, que o deforma. Ao cessar a carga, ele retorna à sua forma original, gerando uma carga elétrica em resposta. Osciladores tornaram-se partes indispensáveis para aparelhos de controle preciso de frequência, como os de transmissão de rádio.

Em 1923 tanto o inglês David William Dye (1887-1932) como Warren Marrison dos Laboratórios Bell empregaram osciladores de quartzo para gerar intervalos precisos de tempo. Em 1927 Marrison e J. W. Horton criaram o primeiro relógio de quartzo, a princípio limitado ao uso científico. A Segunda Guerra Mundial deu importância tática ao material, com os EUA importando lascas de quartzo do Brasil para sintetização hidrotérmica de cristais mais puros. 

Seiko Astron (1969)
A tecnologia de quartzo só tornou-se barata o suficiente para difusão nos anos 60. Em 1967 dois laboratórios (dentre eles o suíço Centre Electronique Horloger) elaboraram protótipos de relógios de quartzo de pulso, mas em 1969 a japonesa Seiko lançou o primeiro, o Astron. Isso iniciou a  dominância do Japão na indústria de relógios de quartzo, com os tradicionais relojoeiros europeus e russos continuando a produzir os menos precisos relógios mecânicos.

Relógios de pulso de quartzo são atualmente os melhores marcadores de tempo portáteis, não requerendo corda e sendo de fácil manutenção. Há modelos com células solares para alimentação por energia luminosa, e mais recentemente os que convertem energia cinética do movimento em energia elétrica para o aparelho.

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