Fluctuación

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Fluctuación (del lat. fluctuatio - fluctuación) - cualquier desviación aleatoria de cualquier valor. En mecánica cuántica, una desviación del valor medio de una variable aleatoria que caracteriza un sistema de un gran número de partículas que interactúan caóticamente; tales desviaciones son causadas por el movimiento térmico de las partículas o por efectos mecánicos cuánticos .

Un ejemplo de fluctuaciones son las fluctuaciones en la densidad de la materia en la vecindad de los puntos críticos , que conducen, en particular, a una fuerte dispersión de la luz y pérdida de transparencia ( opalescencia ).

Las fluctuaciones causadas por los efectos de la mecánica cuántica están presentes incluso a temperatura cero absoluta . Son fundamentalmente inamovibles. Un ejemplo de la manifestación de las fluctuaciones de la mecánica cuántica es el efecto Casimir , así como la fuerza de van der Waals . Las fluctuaciones de la mecánica cuántica se observan directamente para una carga que ha pasado a través de un punto de contacto cuántico: ruido de disparo cuántico .

Fluctuaciones eléctricas

Las fluctuaciones eléctricas son cambios caóticos en potenciales, corrientes y cargas en circuitos eléctricos y líneas de transmisión causados por el movimiento térmico de los portadores de carga y otros procesos físicos en la materia debido a la naturaleza discreta de la electricidad (fluctuaciones eléctricas naturales), así como cambios aleatorios y inestabilidad de las características del circuito (fluctuaciones eléctricas técnicas). Las fluctuaciones eléctricas ocurren en conductores, dispositivos electrónicos e iónicos y en la atmósfera donde se propagan las ondas de radio . Las fluctuaciones eléctricas conducen a la aparición de señales falsas: ruido en la salida de los amplificadores de señales eléctricas, limitan su sensibilidad e inmunidad al ruido, reducen la estabilidad de los generadores, la estabilidad de los sistemas de control automático, etc.

En los conductores, como resultado del movimiento térmico de los portadores de carga, surge una diferencia de potencial fluctuante ( ruido térmico ). En los metales, debido a la alta concentración de electrones de conducción y la corta longitud de su camino libre, las velocidades térmicas de los electrones son muchas veces mayores que la velocidad del movimiento direccional (deriva) en un campo eléctrico . Por lo tanto, las fluctuaciones eléctricas en los metales dependen de la temperatura pero son independientes del voltaje aplicado ( fórmula de Nyquist ). A temperatura ambiente, la intensidad de las fluctuaciones termoeléctricas permanece constante hasta frecuencias Hz . Aunque las fluctuaciones eléctricas térmicas ocurren solo en resistencias activas, la presencia de elementos reactivos ( capacitores e inductores ) en un circuito puede cambiar el espectro de frecuencia de las fluctuaciones eléctricas. ${\ estilo de visualización \ sim 10 ^ {12}}$

En los conductores no metálicos, las fluctuaciones eléctricas aumentan debido a la lenta reestructuración aleatoria de la estructura del conductor bajo la influencia de la corriente. Estas fluctuaciones eléctricas son varios órdenes de magnitud superiores a las fluctuaciones térmicas. Las fluctuaciones eléctricas en los dispositivos de electrovacío y de iones se asocian principalmente con la naturaleza aleatoria de la emisión de electrones del cátodo ( ruido de disparo ). La intensidad de las fluctuaciones eléctricas de tiro es prácticamente constante para frecuencias inferiores a Hz. Depende de la presencia de iones residuales y de la magnitud de la carga espacial. Otras fuentes de fluctuaciones eléctricas en estos dispositivos son la emisión de electrones secundarios del ánodo y las rejillas de los tubos de electrones , los dínodos fotomultiplicadores , etc., así como la redistribución aleatoria de la corriente entre los electrodos. También hay fluctuaciones eléctricas lentas asociadas con varios procesos en el cátodo. En los dispositivos de descarga de gas a baja presión, surgen fluctuaciones eléctricas debido al movimiento térmico de los electrones. $10^{8}$

En los dispositivos semiconductores, las fluctuaciones eléctricas se deben a la naturaleza aleatoria de los procesos de generación y recombinación de electrones y huecos (ruido de generación-recombinación) y difusión de portadores de carga (ruido de difusión). Ambos procesos contribuyen al ruido térmico y de disparo en los dispositivos semiconductores. El espectro de frecuencia de estas fluctuaciones eléctricas está determinado por la vida útil y los tiempos de deriva de los portadores. En dispositivos semiconductores a bajas frecuencias también se observan fluctuaciones eléctricas, debido al “atrapamiento” de electrones y huecos por defectos en la red cristalina (ruido de modulación).

En los dispositivos de electrónica cuántica, las fluctuaciones eléctricas son despreciables y se deben a la emisión espontánea ( amplificador cuántico ).

Las denominadas fluctuaciones eléctricas técnicas están asociadas a cambios de temperatura en los parámetros del circuito y su “envejecimiento”, inestabilidad de las fuentes de alimentación, interferencias de instalaciones industriales, vibraciones y choques, perturbaciones en los contactos eléctricos, etc.

Las fluctuaciones eléctricas en los generadores de oscilaciones electromagnéticas provocan la modulación de la amplitud y frecuencia de las oscilaciones (oscilaciones moduladas), lo que conduce a la aparición de un espectro de frecuencia continuo de oscilaciones y al ensanchamiento de la línea espectral de las oscilaciones generadas, que es igual al valor de la frecuencia portadora. ${\ estilo de visualización 10^{-7}-10^{-12}}$

Física del fenómeno

En los conductores eléctricos, las fluctuaciones más estables son las que dan lugar a la aparición de ondas estacionarias . El número de ondas electromagnéticas estacionarias con frecuencias de a en un conductor de longitud , teniendo en cuenta la polarización, es , aquí está la velocidad de la luz . Suponemos que cada onda estacionaria tiene una energía correspondiente a la energía de un oscilador armónico. Aquí está la constante de Boltzmann , es la temperatura absoluta . Entonces la energía de las ondas estacionarias con frecuencias de a será . La potencia por unidad de longitud de la cadena es . Toda la energía de las corrientes de fluctuación vuelve a convertirse en calor en la resistencia. La pérdida de potencia por unidad de longitud de un conductor con resistencia según la ley de Joule-Lenz es , donde es el cuadrado medio de la fluctuación EMF para ondas con frecuencia . Obtenemos la fórmula de Nyquist [1] . $\nu$ ${\ estilo de visualización \ nu + d \ nu}$ $L$ $dn(\nu )=2\cdot {\frac {2Ld\nu }{c))$ $C$ $kT$ $k$ $T$ $\nu$ ${\ estilo de visualización \ nu + d \ nu}$ $dE(\nu )=4\cdot {\frac {L}{c}}d\nu kT$ $dW={\frac {dE(\nu )}{\frac {L}{c))}=4kTd\nu$ $R$ ${\frac {dW(\nu )}{d\nu }}={\frac {{\overline {E^{2}}}(\nu )}{R}}$ ${\displaystyle {\overline {E^{2))))$ $\nu$ ${\overline {E^{2}}}=4kTR(\nu )$

Fluctuaciones en las obras de arte

En la historia fantástica "Probationers" de A. y B. Strugatsky , la fluctuación se define como una desviación del estado más probable, y la probabilidad de esta desviación es insignificante. El personaje de la historia, Zhilin, describe su encuentro con un hombre que se hace llamar "Fluctuación Gigante". Este hombre se llamó así porque los eventos que le sucedieron no estaban sujetos a la teoría de la probabilidad. Sucesos increíbles le ocurrieron con tanta frecuencia que rompió toda la teoría.

Véase también

Notas

↑ Nozdrev V.F. , Senkevich A.A. Curso de física estadística. - M., Escuela superior, 1969. - p. 189

Literatura

Bonch-Bruevich A. M. Radioelectrónica en física experimental, M., 1966;
Malakhov AH Las fluctuaciones en los sistemas autooscilatorios, M., 1968;
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Sukhodoev I. V. Ruidos de circuitos eléctricos, M., 1975;
Rytov S. M. Introducción a la radiofísica estadística, parte 1, M., 1976;
Robinson F. HX Ruido y fluctuaciones en circuitos y circuitos electrónicos, trad. de Inglés, M., 1980.
McDonald D. Introducción a la física del ruido y las fluctuaciones, M., Mir, 1964
Zhigalsky G.P. Fluctuaciones y ruidos en dispositivos electrónicos de estado sólido, M. FIZMATLIT, 2012.
Lukyanchikova N. B. Fenómenos de fluctuación en semiconductores y dispositivos semiconductores, M. Radio y comunicación, 1990.