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Die Geschichte des Johnson-Nyquist-Rauschens: Wie hat diese Entdeckung unsere Technologie verändert?
In der Geschichte der Elektronik gilt eine Art von Rauschen als allgegenwärtig – Johnson-Nyquist-Rauschen. Dieses elektronische Rauschen, das durch die Bewegung heißer Partikel verursacht wird, ist unabhängig von der angelegten Spannung vorhanden und somit ein unvermeidlicher Bestandteil aller elektronischen Schaltkreise. Die Auswirkungen dieses Rauschens machen sich besonders bei empfindlichen elektronischen Geräten wie Funkempfängern bemerkbar, wo schwache Signale durch Feuchtigkeit verdeckt werden können, was die Empfindlichkeit elektrischer Messgeräte einschränkt. Angesichts des technologischen Fortschritts ist die Frage, wie dieser Lärm bewältigt und reduziert werden kann, interessant, und dazu haben Johnson und Nyquist beigetragen.
Johnson-Rauschen wird durch die thermische Bewegung geladener Ladungsträger (normalerweise Elektronen) innerhalb eines elektrischen Leiters erzeugt und tritt im Gleichgewicht mit oder ohne angelegte Spannung auf.
Die Geschichte des thermischen Rauschens
Die Geschichte des thermischen Rauschens reicht bis ins Jahr 1905 zurück, als Albert Einstein in seiner berühmten Veröffentlichung in diesem Jahr erstmals die Brownsche Bewegung anhand thermischer Fluktuationen erklärte. Im folgenden Jahr schlug er vor, dass dieses Phänomen auch zur Ableitung einer Theorie thermisch angeregter Ströme genutzt werden könnte, obwohl er die Berechnungen nicht abschloss und sie als nicht überprüfbare Theorie betrachtete. Im Laufe der Zeit erfuhr die Theorie jedoch praktische Anwendungen und entwickelte sich weiter.
1912 erweiterte Gertrude de Haas-Lorenz, die Tochter von Hermann Lorenz, Einsteins stochastische Theorie und wandte sie in ihrer Doktorarbeit „Forschung und Ableitung der Formel für den mittleren Quadratwert des thermischen Stroms“ erstmals auf Elektronen an. Im Jahr 1918 entdeckte Walter H. Schottky bei der Untersuchung des thermischen Lärms zufällig eine andere Art von Lärm, den Schusslärm. Später im Jahr 1927 kam Fritz Zelnick bei Tests eines hochempfindlichen Galvanometers zu derselben Schlussfolgerung über thermisches Rauschen. Er kam zu dem Schluss, dass das Geräusch thermischer Natur sei.
In seiner Arbeit von 1928 nutzte Nyquist die Prinzipien der Thermodynamik und der statistischen Mechanik, um Johns experimentelle Ergebnisse zu erklären, und veröffentlichte sie offiziell. Diese Entdeckung hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die spätere Entwicklung der Elektronik.
Die Anwendung von thermischem Rauschen in der modernen Technologie
Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Technologie wird den Auswirkungen des Johnson-Nyquist-Rauschens auf empfindliche elektronische Geräte immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. In manchen Fällen kann dieses Rauschen sogar zu einem erheblichen limitierenden Faktor bei Messungen werden. Daher werden viele empfindliche elektronische Geräte, wie zum Beispiel Radioteleskopempfänger, häufig auf niedrige Temperaturen von nur wenigen Kelvin gekühlt, um ihr Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Messung und Anwendung
Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Johnson-Nyquist-Rauschens auch in der Präzisionsmesstechnik, dem sogenannten Johnson-Rauschkalorimeter, genutzt. Im Jahr 2017 nutzte das National Institute of Standards and Technology (NIST) diese Technologie zur Messung der Boltzmann-Konstante mit einer Genauigkeit von weniger als 3 ppm. Dies macht die Boltzmann-Konstante nicht nur zu einer experimentell messbaren Konstante, sondern legt auch den Grundstein für Kelvins Neudefinition im Jahr 2019.
Zukünftige Herausforderungen und Perspektiven
Obwohl die Technologie große Fortschritte gemacht hat, ist es immer noch eine wichtige Frage, wie das Rauschen weiter reduziert werden kann, um die Empfindlichkeit elektronischer Geräte zu verbessern. Viele Forscher erforschen auch neue Materialien oder neue Strukturen, in der Hoffnung, die Herausforderungen des thermischen Rauschens zu überwinden und präzisere Messungen zu erreichen.
Angesichts der Herausforderungen der Zukunftstechnologie wird die Frage, ob Johnson-Nyquist-Rauschen in elektronischen Systemen effektiv kontrolliert und reduziert werden kann, zu einem wichtigen Symbol für die Bestimmung empfindlicherer und effektiverer elektronischer Technologie.
Letztendlich ist es eine Herausforderung, der sich viele Wissenschaftler im Prozess der technologischen Entwicklung stellen müssen, wie man das Wissen über Johnson-Nyquist-Rauschen in eine effizientere Anwendungstechnologie umwandeln und dessen Auswirkungen auf die Geräteleistung verringern kann.
