Language
Country/Area
No result found
تاريخ ضجيج جونسون نيكويست: كيف غيّر هذا الاكتشاف تقنيتنا؟
في تاريخ الإلكترونيات، يعتبر أحد أنواع الضوضاء موجودًا في كل مكان - وهو ضوضاء جونسون نيكويست. هذا الضجيج الإلكتروني، الناتج عن حركة الجزيئات الساخنة، موجود بغض النظر عن أي جهد مطبق، مما يجعله جزءًا لا مفر منه من جميع الدوائر الإلكترونية. تظهر تأثيرات هذه الضوضاء بشكل خاص في المعدات الإلكترونية الحساسة، مثل أجهزة الاستقبال اللاسلكية، حيث يمكن أن تدفن الرطوبة الإشارات الضعيفة، مما يحد من حساسية أدوات القياس الكهربائية. ومع تقدم التكنولوجيا، أصبحت مسألة كيفية إدارة هذه الضوضاء والحد منها مثيرة للاهتمام، وهذا ما ساهم فيه جونسون ونيكويست.
تنشأ ضوضاء جونسون عن الحركة الحرارية للحاملات المشحونة (عادةً الإلكترونات) داخل موصل كهربائي وتحدث عند التوازن مع أو بدون جهد مطبق.
تاريخ الضوضاء الحرارية
يعود تاريخ الضوضاء الحرارية إلى عام 1905، عندما شرح ألبرت أينشتاين لأول مرة الحركة البراونية من حيث التقلبات الحرارية في منشوره الشهير في ذلك العام. وفي العام التالي، اقترح إمكانية استخدام هذه الظاهرة أيضًا لاشتقاق نظرية للتيارات المثارة حراريًا، على الرغم من أنه لم يكمل الحسابات، حيث تعامل معها على أنها نظرية غير قابلة للتحقق. ومع ذلك، مع مرور الوقت، شهدت النظرية تطبيقات عملية وتطويرًا.
في عام 1912، قامت جيرترود دي هاس لورينز، ابنة هيرمان لورنز، بتوسيع نظرية أينشتاين العشوائية وطبقتها على الإلكترونات لأول مرة في أطروحتها للدكتوراه، حيث بحثت واشتقت صيغة القيمة المربعة المتوسطة للتيار الحراري. في عام 1918، أثناء دراسة الضوضاء الحرارية، اكتشف والتر شوتكي بالصدفة نوعًا آخر من الضوضاء، وهو ضوضاء إطلاق النار. لاحقًا في عام 1927، توصل فريتز زيلنيك إلى نفس النتيجة بشأن الضوضاء الحرارية في اختبارات الجلفانومتر عالي الحساسية. وخلص إلى أن الضوضاء كانت حرارية بطبيعتها.
في ورقته البحثية عام 1928، استخدم نيكويست مبادئ الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية لشرح نتائج جون التجريبية ونشرها رسميًا، وقد أثر هذا الاكتشاف بشكل عميق على التطور اللاحق للإلكترونيات.
تطبيقات الضوضاء الحرارية في التكنولوجيا الحديثة
مع تقدم التكنولوجيا الإلكترونية، حظي تأثير ضوضاء جونسون نيكويست في المعدات الإلكترونية الحساسة بمزيد من الاهتمام. وفي بعض الحالات، يمكن أن تصبح هذه الضوضاء عاملاً مقيدًا رئيسيًا في القياسات. لذلك، غالبًا ما يتم تبريد العديد من الأجهزة الإلكترونية الحساسة، مثل أجهزة استقبال التلسكوبات الراديوية، إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى بضعة درجات كلفن لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
القياس والتطبيق
بالإضافة إلى ذلك، يتم أيضًا استخدام خصائص ضوضاء جونسون نيكويست في تقنية القياس الدقيق، والمعروفة باسم مسعر جونسون للضوضاء. في عام 2017، استخدم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) هذه التقنية لقياس ثابت بولتزمان، بدقة أقل من 3 جزء في المليون. وهذا لا يجعل ثابت بولتزمان ثابتًا قابلاً للقياس تجريبيًا فحسب، بل يضع أيضًا الأساس لإعادة تعريف كلفن في عام 2019.
تحديات وآفاق المستقبل
ومع ذلك، على الرغم من أن التكنولوجيا قد حققت تقدمًا كبيرًا، إلا أن كيفية تقليل الضوضاء بشكل أكبر لتحسين حساسية الأجهزة الإلكترونية لا تزال مشكلة مهمة. ويستكشف العديد من الباحثين أيضًا مواد جديدة أو هياكل جديدة، على أمل التغلب على التحديات التي تفرضها الضوضاء الحرارية وتحقيق قياسات أعلى دقة.
في مواجهة تحديات التكنولوجيا المستقبلية، فإن ما إذا كان من الممكن التحكم بشكل فعال في ضوضاء جونسون نيكويست وتقليلها في الأنظمة الإلكترونية، سيصبح مؤشرًا مهمًا للتكنولوجيا الإلكترونية الأكثر حساسية وفعالية.
في نهاية المطاف، في عملية التطور التكنولوجي، فإن كيفية تحويل المعرفة بضوضاء جونسون نيكويست إلى تكنولوجيا تطبيقية أكثر كفاءة وتقليل تأثيرها على أداء المعدات يمثل تحديًا يجب أن يواجهه العديد من العلماء؟
