Fluktuation

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. marts 2019; checks kræver 3 redigeringer .

Fluktuation (fra lat. fluctuatio - fluktuation) - enhver tilfældig afvigelse af enhver værdi. I kvantemekanikken, en afvigelse fra middelværdien af en tilfældig variabel, der karakteriserer et system af et stort antal kaotisk interagerende partikler; sådanne afbøjninger er forårsaget af partiklernes termiske bevægelse eller af kvantemekaniske effekter .

Et eksempel på fluktuationer er fluktuationer i stoftætheden i nærheden af kritiske punkter , hvilket især fører til kraftig lysspredning og tab af gennemsigtighed ( opalescens ).

Udsving forårsaget af kvantemekaniske effekter er til stede selv ved absolut nultemperatur . De er grundlæggende uaftagelige. Et eksempel på manifestationen af kvantemekaniske fluktuationer er Casimir-effekten såvel som van der Waals-kraften . Kvantemekaniske fluktuationer observeres direkte for en ladning, der har passeret gennem en kvantepunktkontakt - kvanteskudsstøj .

Elektriske udsving

Elektriske fluktuationer er kaotiske ændringer i potentialer, strømme og ladninger i elektriske kredsløb og transmissionsledninger forårsaget af den termiske bevægelse af ladningsbærere og andre fysiske processer i materien på grund af elektricitetens diskrete natur (naturlige elektriske fluktuationer), samt tilfældige ændringer og ustabilitet af kredsløbskarakteristika (tekniske elektriske fluktuationer). Elektriske udsving forekommer i ledere, elektroniske og ioniske enheder og i atmosfæren, hvor radiobølger udbreder sig . Elektriske udsving fører til udseendet af falske signaler - støj ved udgangen af elektriske signalforstærkere, begrænser deres følsomhed og støjimmunitet, reducerer stabiliteten af generatorer, stabiliteten af automatiske kontrolsystemer osv.

I ledere, som følge af den termiske bevægelse af ladningsbærere, opstår der en fluktuerende potentialforskel ( termisk støj ). I metaller, på grund af den høje koncentration af ledningselektroner og den korte længde af deres frie vej, er elektronernes termiske hastigheder mange gange større end hastigheden af retningsbestemt bevægelse (drift) i et elektrisk felt . Derfor er elektriske udsving i metaller temperaturafhængige, men uafhængige af påført spænding ( Nyquist-formel ). Ved stuetemperatur forbliver intensiteten af termiske elektriske fluktuationer konstant op til frekvenserne Hz . Selvom termiske elektriske udsving kun forekommer i aktive modstande, kan tilstedeværelsen af reaktive elementer ( kondensatorer og induktorer ) i et kredsløb ændre frekvensspektret af elektriske udsving. $\sim 10^{12}$

I ikke-metalliske ledere øges elektriske fluktuationer på grund af den langsomme tilfældige omstrukturering af lederstrukturen under påvirkning af strøm. Disse elektriske udsving er flere størrelsesordener højere end de termiske udsving. Elektriske udsving i elektrovakuum- og ionanordninger er hovedsageligt forbundet med den tilfældige karakter af elektronemission fra katoden ( skudstøj ). Intensiteten af elektriske udsving er praktisk talt konstant for frekvenser under Hz. Det afhænger af tilstedeværelsen af resterende ioner og størrelsen af rumladningen. Yderligere kilder til elektriske fluktuationer i disse enheder er sekundær elektronemission fra anoden og gitre af elektronrør , fotomultiplikatordynoder osv ., samt tilfældig omfordeling af strøm mellem elektroderne. Der er også langsomme elektriske fluktuationer forbundet med forskellige processer ved katoden. I lavtryksgasudladningsanordninger opstår elektriske fluktuationer på grund af elektronernes termiske bevægelse. $10^{8}$

I halvlederenheder skyldes elektriske fluktuationer den tilfældige karakter af processerne til generering og rekombination af elektroner og huller (generations-rekombinationsstøj) og diffusion af ladningsbærere (diffusionsstøj). Begge processer bidrager til både termisk og skudstøj i halvlederenheder. Frekvensspektret af disse elektriske fluktuationer bestemmes af bærernes levetid og drifttider. I halvlederenheder ved lave frekvenser observeres også elektriske fluktuationer på grund af "fangst" af elektroner og huller ved defekter i krystalgitteret (modulationsstøj).

I kvanteelektronik enheder er elektriske udsving ubetydelige og skyldes spontan emission ( kvanteforstærker ).

De såkaldte tekniske elektriske udsving er forbundet med temperaturændringer i kredsløbsparametre og deres "ældning", ustabilitet af strømkilder, interferens fra industrielle installationer, vibrationer og stød, elektriske kontaktforstyrrelser mv.

Elektriske udsving i generatorerne af elektromagnetiske oscillationer forårsager modulering af amplituden og frekvensen af oscillationer (modulerede oscillationer), hvilket fører til fremkomsten af et kontinuerligt frekvensspektrum af svingninger og til udvidelsen af spektrallinjen af de genererede oscillationer, hvilket er ens til værdien af bærefrekvensen. $10^{-7}-10^{-12}$

Fænomenets fysik

I elektriske ledere er de mest stabile fluktuationer fluktuationer, der fører til udseendet af stående bølger . Antallet af stående elektromagnetiske bølger med frekvenser fra til i en leder af længde , under hensyntagen til polarisering, er , her er lysets hastighed . Vi antager, at hver stående bølge har en energi svarende til energien fra en harmonisk oscillator. Her er Boltzmann konstanten , er den absolutte temperatur . Så vil energien af stående bølger med frekvenser fra til være . Effekten pr. længdeenhed af kæden er . Al energien fra fluktuationsstrømmene bliver igen til varme ved modstanden. Effekttabet pr. længdeenhed af en leder med modstand i henhold til Joule-Lenz-loven er , hvor er middelkvadraten af fluktuationen EMF for bølger med frekvens . Vi får Nyquist-formlen [1] . $\nu$ $\nu +d\nu$ $L$ $dn(\nu )=2\cdot {\frac {2Ld\nu}{c))$ $c$ $kT$ $k$ $T$ $\nu$ $\nu +d\nu$ $dE(\nu )=4\cdot {\frac {L}{c}}d\nu kT$ $dW={\frac {dE(\nu )}{\frac {L}{c))}=4kTd\nu$ $R$ ${\frac {dW(\nu )}{d\nu }}={\frac {{\overline {E^{2}}}(\nu)}{R}}$ ${\displaystyle {\overline {E^{2))))$ $\nu$ ${\overline {E^{2}}}=4kTR(\nu)$

Udsving i kunstværker

I den fantastiske historie "Probationers" af A. og B. Strugatsky defineres fluktuation som en afvigelse fra den mest sandsynlige tilstand, og sandsynligheden for denne afvigelse er ubetydelig. Historiens karakter, Zhilin, beskriver sit møde med en mand, der kalder sig selv "Giant Fluctuation". Denne mand kaldte sig selv det, fordi de begivenheder, der skete for ham, ikke var underlagt sandsynlighedsteorien. Utrolige begivenheder skete for ham så ofte, at det brød hele teorien.

Se også

Noter

↑ Nozdrev V.F. , Senkevich A.A. Kursus i statistisk fysik. - M., Højere skole, 1969. - s. 189

Litteratur

Bonch-Bruevich A. M. Radioelektronik i eksperimentel fysik, M., 1966;
Malakhov AH Fluctuations in self-oscillatory systems, M., 1968;
Van der Zyl A. Støj [i elektroniske apparater], trans. fra English, M., 1973;
Sukhodoev I. V. Støj fra elektriske kredsløb, M., 1975;
Rytov S. M. Introduktion til statistisk radiofysik, del 1, M., 1976;
Robinson F. HX Støj og fluktuationer i elektroniske kredsløb og kredsløb, trans. fra engelsk, M., 1980.
McDonald D. Introduktion til fysik af støj og fluktuationer, M., Mir, 1964
Zhigalsky G.P. Fluktuationer og støj i elektroniske solid state-enheder, M. FIZMATLIT, 2012.
Lukyanchikova N. B. Fluktuationsfænomener i halvledere og halvlederenheder, M. Radio and communication, 1990.