Fluktuation

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 mars 2019; kontroller kräver 3 redigeringar .

Fluktuation (från lat. fluctuatio - fluktuation) - varje slumpmässig avvikelse av något värde. Inom kvantmekaniken, en avvikelse från medelvärdet för en slumpmässig variabel som kännetecknar ett system av ett stort antal kaotiskt interagerande partiklar; sådana avböjningar orsakas av partiklars termiska rörelse eller av kvantmekaniska effekter .

Ett exempel på fluktuationer är fluktuationer i materiens densitet i närheten av kritiska punkter , vilket i synnerhet leder till stark ljusspridning och förlust av transparens ( opalescens ).

Fluktuationer orsakade av kvantmekaniska effekter är närvarande även vid absolut nolltemperatur . De är i grunden omöjliga att ta bort. Ett exempel på manifestationen av kvantmekaniska fluktuationer är Casimir-effekten , såväl som van der Waals-kraften . Kvantmekaniska fluktuationer observeras direkt för en laddning som har passerat genom ett kvantpunktkontakt - kvantskottljud .

Elektriska fluktuationer

Elektriska fluktuationer är kaotiska förändringar i potentialer, strömmar och laddningar i elektriska kretsar och transmissionsledningar orsakade av termisk rörelse hos laddningsbärare och andra fysiska processer i materia på grund av elektricitetens diskreta natur (naturliga elektriska fluktuationer), såväl som slumpmässiga förändringar och instabilitet hos kretsegenskaper (tekniska elektriska fluktuationer). Elektriska fluktuationer förekommer i ledare, elektroniska och joniska enheter och i atmosfären där radiovågor utbreder sig . Elektriska fluktuationer leder till uppkomsten av falska signaler - brus vid utgången av elektriska signalförstärkare, begränsar deras känslighet och brusimmunitet, minskar stabiliteten hos generatorer, stabiliteten hos automatiska styrsystem, etc.

I ledare, som ett resultat av den termiska rörelsen hos laddningsbärare, uppstår en fluktuerande potentialskillnad ( termiskt brus ). I metaller, på grund av den höga koncentrationen av ledningselektroner och den korta längden på deras fria väg, är elektronernas termiska hastigheter många gånger högre än hastigheten för riktningsrörelse (drift) i ett elektriskt fält . Därför är elektriska fluktuationer i metaller temperaturberoende men oberoende av pålagd spänning ( Nyquists formel ). Vid rumstemperatur förblir intensiteten av termiska elektriska fluktuationer konstant upp till frekvenserna Hz . Även om termiska elektriska fluktuationer endast förekommer i aktiva resistanser, kan närvaron av reaktiva element ( kondensatorer och induktorer ) i en krets ändra frekvensspektrumet för elektriska fluktuationer. $\sim 10^{12}$

I icke-metalliska ledare ökar elektriska fluktuationer på grund av den långsamma slumpmässiga omstruktureringen av ledarstrukturen under påverkan av ström. Dessa elektriska fluktuationer är flera storleksordningar högre än de termiska fluktuationerna. Elektriska fluktuationer i elektrovakuum- och jonanordningar är huvudsakligen förknippade med den slumpmässiga naturen hos elektronemission från katoden ( skottbrus ). Intensiteten hos elektriska fluktuationer är praktiskt taget konstant för frekvenser under Hz. Det beror på närvaron av kvarvarande joner och storleken på rymdladdningen. Ytterligare källor till elektriska fluktuationer i dessa anordningar är sekundär elektronemission från anoden och näten hos elektronrör , fotomultiplikatordynoder , etc. , såväl som slumpmässig omfördelning av ström mellan elektroderna. Det finns också långsamma elektriska fluktuationer i samband med olika processer vid katoden. I lågtrycksgasurladdningsanordningar uppstår elektriska fluktuationer på grund av elektronernas termiska rörelse. $10^{8}$

I halvledarenheter beror elektriska fluktuationer på den slumpmässiga karaktären hos processerna för generering och rekombination av elektroner och hål (generations-rekombinationsbrus) och diffusion av laddningsbärare (diffusionsbrus). Båda processerna bidrar till både termiskt och skottbrus i halvledarenheter. Frekvensspektrumet för dessa elektriska fluktuationer bestäms av bärarnas livslängd och drifttider. I halvledarenheter vid låga frekvenser observeras också elektriska fluktuationer, på grund av "infångning" av elektroner och hål genom defekter i kristallgittret (modulationsbrus).

I kvantelektronikenheter är elektriska fluktuationer försumbara och beror på spontan emission ( kvantförstärkare ).

De så kallade tekniska elektriska fluktuationerna är förknippade med temperaturförändringar i kretsparametrar och deras "åldrande", instabilitet hos kraftkällor, störningar från industriella installationer, vibrationer och stötar, elektriska kontaktstörningar etc.

Elektriska fluktuationer i generatorerna av elektromagnetiska svängningar orsakar modulering av amplituden och frekvensen av svängningar (modulerade svängningar), vilket leder till uppkomsten av ett kontinuerligt frekvensspektrum av svängningar och till breddningen av spektrallinjen för de genererade svängningarna, vilket är lika till värdet av bärvågsfrekvensen. $10^{-7}-10^{-12}$

Fenomenets fysik

I elektriska ledare är de mest stabila fluktuationerna fluktuationer som leder till uppkomsten av stående vågor . Antalet stående elektromagnetiska vågor med frekvenser från till i en ledare av längd , med hänsyn till polarisation, är , här är ljusets hastighet . Vi antar att varje stående våg har en energi som motsvarar energin hos en harmonisk oscillator. Här är Boltzmann-konstanten , är den absoluta temperaturen . Då blir energin för stående vågor med frekvenser från till . Effekten per längdenhet av kedjan är . All energi från fluktuationsströmmarna förvandlas igen till värme vid motståndet. Effektförlusten per längdenhet för en ledare med resistans enligt Joule-Lenz-lagen är , där är medelkvadraten för fluktuationen EMF för vågor med frekvens . Vi får Nyquistformeln [1] . $\nu$ $\nu +d\nu$ $L$ $dn(\nu )=2\cdot {\frac {2Ld\nu}{c}}$ $c$ $kT$ $k$ $T$ $\nu$ $\nu +d\nu$ $dE(\nu )=4\cdot {\frac {L}{c}}d\nu kT$ $dW={\frac {dE(\nu )}{\frac {L}{c))}=4kTd\nu$ $R$ ${\frac {dW(\nu )}{d\nu }}={\frac {{\overline {E^{2}}}(\nu)}{R}}$ ${\displaystyle {\overline {E^{2))))$ $\nu$ ${\overline {E^{2}}}=4kTR(\nu)$

Fluktuationer i konstverk

I den fantastiska berättelsen "Probationers" av A. och B. Strugatsky definieras fluktuation som en avvikelse från det mest sannolika tillståndet, och sannolikheten för denna avvikelse är försumbar. Berättelsens karaktär, Zhilin, beskriver sitt möte med en man som kallar sig "Giant Fluctuation". Den här mannen kallade sig själv det eftersom händelserna som hände honom inte var föremål för sannolikhetsteorin. Otroliga händelser hände honom så ofta att det bröt hela teorin.

Se även

Anteckningar

↑ Nozdrev V.F. , Senkevich A.A. Kurs i statistisk fysik. - M., Högre skola, 1969. - sid. 189

Litteratur

Bonch-Bruevich A. M. Radioelektronik i experimentell fysik, M., 1966;
Malakhov AH Fluctuations in self-oscillatory systems, M., 1968;
Van der Zyl A. Buller [i elektroniska apparater], övers. från English, M., 1973;
Sukhodoev I. V. Brus från elektriska kretsar, M., 1975;
Rytov S. M. Introduktion till statistisk radiofysik, del 1, M., 1976;
Robinson F. HX Brus och fluktuationer i elektroniska kretsar och kretsar, trans. från engelska, M., 1980.
McDonald D. Introduction to the physics of brus and fluktuations, M., Mir, 1964
Zhigalsky G.P. Fluktuationer och brus i elektroniska solid state-enheter, M. FIZMATLIT, 2012.
Lukyanchikova N. B. Fluktuationsfenomen i halvledare och halvledarenheter, M. Radio and communication, 1990.