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La historia del ruido de Johnson-Nyquist: ¿Cómo cambió este descubrimiento nuestra tecnología?
En la historia de la electrónica, un tipo de ruido se considera omnipresente: el ruido de Johnson-Nyquist. Este ruido electrónico, causado por el movimiento de partículas calientes, está presente independientemente del voltaje aplicado, lo que lo convierte en una parte inevitable de todos los circuitos electrónicos. Los efectos de este ruido son particularmente notables en equipos electrónicos sensibles, como los receptores de radio, donde las señales débiles pueden quedar sepultadas por la humedad, lo que limita la sensibilidad de los instrumentos de medición eléctricos. A medida que avanza la tecnología, la cuestión de cómo gestionar y reducir este ruido resulta intrigante, y a eso han contribuido Johnson y Nyquist.
El ruido de Johnson se genera por el movimiento térmico de portadores cargados (normalmente electrones) dentro de un conductor eléctrico y se produce en equilibrio con o sin voltaje aplicado.
La historia del ruido térmico
La historia del ruido térmico se remonta a 1905, cuando Albert Einstein explicó por primera vez el movimiento browniano en términos de fluctuaciones térmicas en su famosa publicación de ese año. Al año siguiente, propuso que este fenómeno también podría utilizarse para derivar una teoría de las corrientes excitadas térmicamente, aunque no completó los cálculos, tratándola como una teoría no verificable. Sin embargo, con el tiempo, la teoría vio aplicaciones y desarrollo prácticos.
En 1912, la hija de Hermann Lorenz, Gertrude de Haas-Lorenz, amplió la teoría estocástica de Einstein y la aplicó a los electrones por primera vez en su tesis doctoral Investigar y derivar la fórmula para el valor cuadrático medio de la corriente térmica. En 1918, mientras estudiaba el ruido térmico, Walter H. Schottky descubrió accidentalmente otro tipo de ruido: el ruido de disparo. Más tarde, en 1927, Fritz Zelnick llegó a la misma conclusión sobre el ruido térmico en las pruebas de un galvanómetro de alta sensibilidad. Concluyó que el ruido era de naturaleza térmica.
En su artículo de 1928, Nyquist utilizó los principios de la termodinámica y la mecánica estadística para explicar los resultados experimentales de John y los publicó formalmente. Este descubrimiento afectó profundamente el desarrollo posterior de la electrónica.
La aplicación del ruido térmico en la tecnología moderna
Con el avance de la tecnología electrónica, el impacto del ruido de Johnson-Nyquist en equipos electrónicos sensibles ha recibido cada vez más atención. En algunos casos, este ruido puede incluso convertirse en un factor limitante importante en las mediciones. Por lo tanto, muchos dispositivos electrónicos sensibles, como los receptores de radiotelescopios, a menudo se enfrían a temperaturas tan bajas como unos pocos Kelvin para mejorar su relación señal-ruido.
Medición y Aplicación
Además, las características del ruido de Johnson-Nyquist también se utilizan en la tecnología de medición de precisión, conocida como calorímetro de ruido de Johnson. En 2017, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) utilizó esta tecnología para medir la constante de Boltzmann, con una precisión de menos de 3 ppm. Esto no solo convierte a la constante de Boltzmann en una constante medible experimentalmente, sino que también sienta las bases para la redefinición de Kelvin en 2019.
Retos y perspectivas futuras
Sin embargo, aunque la tecnología ha avanzado mucho, cómo reducir aún más el ruido para mejorar la sensibilidad de los dispositivos electrónicos sigue siendo una cuestión importante. Muchos investigadores también están explorando nuevos materiales o nuevas estructuras, con la esperanza de superar los desafíos que plantea el ruido térmico y lograr mediciones de mayor precisión.
Ante los desafíos de la tecnología futura, si el ruido de Johnson-Nyquist se puede controlar y reducir de manera efectiva en los sistemas electrónicos se convertirá en un indicador importante de una tecnología electrónica más sensible y efectiva.
En última instancia, en el proceso de desarrollo tecnológico, ¿cómo transformar el conocimiento del ruido de Johnson-Nyquist en una tecnología de aplicación más eficiente y reducir su impacto en el rendimiento del equipo es un desafío que muchos científicos deben enfrentar?
