imported>Q-bit array: откат правок Neue Ordnung (обс.) к версии Fuxx

2024-05-15T08:27:40Z

откат правок Neue Ordnung (обс.) к версии Fuxx

Новая страница

'''Флуктуа́ция''' (от {{lang-la|fluctuatio}} — колебание) — любое случайное отклонение какой-либо величины.
В квантовой механике — отклонение от среднего значения случайной величины, характеризующей систему из большого числа хаотично взаимодействующих частиц; такие отклонения вызываются [[Тепловое движение|тепловым движением]] частиц или [[квантовая механика|квантовомеханическими эффектами]].

Примером флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях [[Критическая точка (термодинамика)|критических точек]], приводящие, в частности, к сильному [[Рассеяние света|рассеянию света]] и потере прозрачности ([[опалесценция]]).

Флуктуации, вызванные квантовомеханическими эффектами, присутствуют даже при температуре [[абсолютный ноль|абсолютного нуля]]. Они принципиально неустранимы. Пример проявления квантовомеханических флуктуаций — [[эффект Казимира]], а также [[силы Ван-дер-Ваальса]]. Непосредственно наблюдаемы квантовомеханические флуктуации для заряда, прошедшего через [[Квантовая точка|квантовый точечный контакт]] — квантовый [[дробовой шум]].

== Электрические флуктуации ==
Электрические флуктуации — хаотичные изменения потенциалов, токов и зарядов в [[Электрическая цепь|электрических цепях]] и линиях передачи, вызываемые тепловым движением [[Носители заряда|носителей заряда]] и другими физическими процессами в веществе, обусловленными дискретной природой электричества (естественные электрические флуктуации), а также случайными изменениями и нестабильностью характеристик цепей (технические электрические флуктуации). Электрические флуктуации возникают в проводниках, электронных и ионных приборах, а также в атмосфере, где происходит [[распространение радиоволн]]. Электрические флуктуации приводят к появлению ложных сигналов — шумов на выходе усилителей электрических сигналов, ограничивают их чувствительность и помехоустойчивость, уменьшают стабильность генераторов, устойчивость систем автоматического регулирования и т. д.

В проводниках, в результате теплового движения носителей заряда, возникает флуктуирующая разность потенциалов ([[тепловой шум]]). В металлах, из-за большой концентрации электронов проводимости и малой длины их свободного пробега, [[Тепловая скорость|тепловые скорости]] электронов во много раз превосходят скорость направленного движения (дрейфа) в [[Электрическое поле|электрическом поле]]. Поэтому электрические флуктуации в металлах зависят от температуры, но не зависят от приложенного напряжения ([[Флуктуационно-диссипационная теорема#Формула Найквиста|формула Найквиста]]). При комнатной температуре интенсивность тепловых электрических флуктуаций остаётся постоянной до частот <math>\sim 10^{12}</math> [[Герц (единица измерения)|Гц]]. Хотя тепловые электрические флуктуации возникают только в активных сопротивлениях, наличие в цепи реактивных элементов ([[Электрический конденсатор|конденсаторов]] и [[Катушка индуктивности|катушек индуктивности]]) может изменить частотный спектр электрических флуктуаций.

В неметаллических проводниках электрические флуктуации увеличиваются за счёт медленной случайной перестройки структуры проводника под действием тока. Эти электрические флуктуации на несколько порядков превышают тепловые. Электрические флуктуации в [[Электровакуумные приборы|электровакуумных]] и [[Газоразрядные приборы|ионных приборах]] связаны главным образом со случайным характером [[Электронная эмиссия|электронной эмиссии]] с катода ([[дробовой шум]]). Интенсивность дробовых электрических флуктуаций практически постоянна для частот меньших <math>10^8</math> Гц. Она зависит от присутствия остаточных ионов и величины объёмного заряда. Дополнительные источники электрических флуктуаций в этих приборах — [[вторичная электронная эмиссия]] с анода и сеток [[Электронная лампа|электронных ламп]], динодов [[Фотоэлектронный умножитель|фотоэлектронных умножителей]] и т. п., а также случайное перераспределение тока между электродами. Наблюдаются также медленные электрические флуктуации, связанные с различными процессами на катоде. В газоразрядных приборах низкого давления электрические флуктуации возникают из-за теплового движения электронов.

В полупроводниковых приборах электрические флуктуации обусловлены случайным характером процессов генерации и рекомбинации электронов и [[Дырка|дырок]] (генерационно-рекомбинационный шум) и диффузии носителей заряда (диффузионный шум). Оба процесса дают вклад как в тепловой, так и в дробовой шумы полупроводниковых приборов. Частотный спектр этих электрических флуктуаций определяется временами жизни и дрейфа носителей. В полупроводниковых приборах на низких частотах наблюдаются также электрические флуктуации, обусловленные «улавливанием» электронов и дырок дефектами кристаллической решётки (модуляционный шум).

В приборах квантовой электроники электрические флуктуации ничтожно малы и обусловлены спонтанным излучением ([[квантовый усилитель]]).

Так называемые технические электрические флуктуации связаны с температурными изменениями параметров цепей и их «старением», нестабильностью источников питания, с помехами от промышленных установок, вибрацией и толчками, с нарушениями электрических контактов и т. п.

Электрические флуктуации в генераторах электромагнитных колебаний вызывают [[Модуляция|модуляцию]] амплитуды и частоты колебаний (модулированные колебания), что приводит к появлению непрерывного частотного спектра колебаний и к уширению спектральной линии генерируемых колебаний, составляющему величину <math>10^{-7} - 10^{-12}</math> от несущей частоты.

=== Физика явления ===
В электрических проводниках наиболее устойчивыми флуктуациями оказываются флуктуации, приводящие к возникновению [[Стоячая волна|стоячих волн]]. Число стоячих электромагнитных волн с частотами от <math>\nu</math> до <math>\nu + d\nu</math> в проводнике длиной <math>L</math> с учётом поляризации равно <math>dn(\nu) = 2 \cdot \frac{2Ld\nu}{c}</math>, здесь <math>c</math> − [[скорость света]]. Будем считать, что на каждую стоячую волну приходится энергия <math>kT</math>, соответствующая энергии гармонического осциллятора. Здесь <math>k</math> − [[постоянная Больцмана]], <math>T</math> − [[абсолютная температура]]. Тогда энергия стоячих волн с частотами от <math>\nu</math> до <math>\nu + d\nu</math> будет <math>dE(\nu)=4 \cdot \frac{L}{c} d\nu kT</math>. Мощность на единицу длины цепи равна <math>dW = \frac{dE(\nu)}{\frac{L}{c}} = 4kTd\nu</math>. Вся энергия флуктуационных токов снова переходит в тепло на сопротивлении. Потеря мощности на единице длины проводника с сопротивлением <math>R</math> по [[Закон Джоуля — Ленца|закону Джоуля-Ленца]] равна <math>\frac{dW(\nu)}{d\nu}=\frac{\overline{E^2}(\nu)}{R}</math>, где <math>\overline{E^2}</math> − средний квадрат флуктуационной ЭДС для волн с частотой <math>\nu</math>. Получаем [[Формула Найквиста|формулу Найквиста]] <math>\overline{E^2} = 4kTR(\nu)</math><ref>''[[Ноздрёв, Василий Фёдорович|Ноздрев В. Ф.]], Сенкевич А. А.'' Курс статистической физики. - М., Высшая школа, 1969. - c. 189</ref>.

== Флуктуации в произведениях искусства ==
В фантастической повести [[Стругацкие, Аркадий и Борис|А. и Б. Стругацких]] [[Стажёры (повесть)|«Стажёры»]] флуктуация определяется как отклонение от наиболее вероятного состояния, причём вероятность этого отклонения ничтожно мала. Персонаж повести Жилин описывает свою встречу с человеком, называющим себя «Гигантской флюктуацией». Этот человек так себя называл, потому что на события, происходящие с ним, не распространялась теория вероятностей. С ним происходили невероятные события столь часто, что это ломало всю теорию.

== См. также ==
{{wiktionary|флуктуация}}
* [[Флуктуационно-диссипационная теорема]]
* [[Формула Найквиста]]

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==
* ''Бонч-Бруевич А. M.'' Радиоэлектроника в экспериментальной физике, M., 1966;
* ''Малахов A. H.'' Флуктуации в автоколебательных системах, M., 1968;
* ''Ван дер Зил А.'' Шум [в электронных приборах], пер. с англ., M., 1973;
* ''Суходоев И. О.'' Шумы электрических цепей, M., 1975;
* ''Рытов С. M.'' Введение в статистическую радиофизику, ч. 1, M., 1976;
* ''Робинсон Ф. H. X.'' Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях, пер. с англ., M., 1980.
* ''Мак-Доналд Д.'' Введение в физику шумов и флуктуаций, М., Мир, 1964
* ''Жигальский Г. П.'' Флуктуации и шумы в электронных твердотельных приборах, М. ФИЗМАТЛИТ, 2012.
* ''Лукьянчикова Н. Б.'' Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах, М. Радио и связь, 1990.

{{ВС}}

[[Категория:Статистическая физика]]
[[Категория:Теория хаоса]]

Флуктуация - История изменений

imported>Q-bit array: откат правок Neue Ordnung (обс.) к версии Fuxx