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L'histoire du bruit Johnson-Nyquist : comment cette découverte a-t-elle changé notre technologie
Dans l'histoire de l'électronique, un type de bruit est considéré comme omniprésent : le bruit de Johnson-Nyquist. Ce bruit électronique, provoqué par le mouvement de particules chaudes, est présent quelle que soit la tension appliquée, ce qui en fait un élément inévitable de tous les circuits électroniques. Les effets de ce bruit sont particulièrement visibles dans les équipements électroniques sensibles, tels que les récepteurs radio, où les signaux faibles peuvent être noyés dans l'humidité, limitant ainsi la sensibilité des instruments de mesure électriques. À mesure que la technologie progresse, la question de savoir comment gérer et réduire ce bruit est intrigante, et c'est à cela que Johnson et Nyquist ont contribué.
Le bruit de Johnson est généré par le mouvement thermique de porteurs chargés (généralement des électrons) à l'intérieur d'un conducteur électrique et se produit à l'équilibre avec ou sans tension appliquée.
L'histoire du bruit thermique
L'histoire du bruit thermique remonte à 1905, lorsque Albert Einstein a expliqué pour la première fois le mouvement brownien en termes de fluctuations thermiques dans sa célèbre publication de cette année-là. L'année suivante, il proposa que ce phénomène puisse également être utilisé pour dériver une théorie des courants thermiquement excités, bien qu'il n'ait pas terminé les calculs, le considérant comme une théorie invérifiable. Cependant, au fil du temps, la théorie a vu des applications et des développements pratiques.
En 1912, Gertrude de Haas-Lorenz, la fille d'Hermann Lorenz, a développé la théorie stochastique d'Einstein et l'a appliquée pour la première fois aux électrons dans sa thèse de doctorat. Recherchez et dérivez la formule de la valeur quadratique moyenne du courant thermique. En 1918, alors qu'il étudiait le bruit thermique, Walter H. Schottky découvrit accidentellement un autre type de bruit, le bruit de tir. Plus tard en 1927, Fritz Zelnick arriva à la même conclusion concernant le bruit thermique lors de tests effectués sur un galvanomètre à haute sensibilité. Il a conclu que le bruit était de nature thermique.
Dans son article de 1928, Nyquist a utilisé les principes de la thermodynamique et de la mécanique statistique pour expliquer les résultats expérimentaux de John et les a officiellement publiés. Cette découverte a profondément affecté le développement ultérieur de l'électronique.
L'application du bruit thermique dans la technologie moderne
Avec les progrès de la technologie électronique, l'impact du bruit Johnson-Nyquist sur les équipements électroniques sensibles fait l'objet de plus en plus d'attention. Dans certains cas, ce bruit peut même devenir un facteur limitant majeur dans les mesures. Par conséquent, de nombreux appareils électroniques sensibles, tels que les récepteurs de radiotélescopes, sont souvent refroidis à des températures aussi basses que quelques Kelvin pour améliorer leur rapport signal/bruit.
Mesure et application
En outre, les caractéristiques du bruit Johnson-Nyquist sont également utilisées dans la technologie de mesure de précision, connue sous le nom de calorimètre à bruit Johnson. En 2017, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a utilisé cette technologie pour mesurer la constante de Boltzmann, avec une précision inférieure à 3 ppm. Cela fait non seulement de la constante de Boltzmann une constante mesurable expérimentalement, mais jette également les bases de la redéfinition de Kelvin en 2019.
Défis futurs et perspectives
Cependant, même si la technologie a fait de grands progrès, la manière de réduire davantage le bruit pour améliorer la sensibilité des appareils électroniques reste une question importante. De nombreux chercheurs explorent également de nouveaux matériaux ou de nouvelles structures, dans l’espoir de surmonter les défis posés par le bruit thermique et d’obtenir des mesures de plus grande précision.
Face aux défis de la technologie future, la question de savoir si le bruit Johnson-Nyquist peut être efficacement contrôlé et réduit dans les systèmes électroniques deviendra un indicateur important d'une technologie électronique plus sensible et plus efficace.
En fin de compte, dans le processus de développement technologique, comment transformer les connaissances sur le bruit Johnson-Nyquist en une technologie d'application plus efficace et réduire son impact sur les performances des équipements est un défi auquel de nombreux scientifiques doivent faire face ?
