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A história do ruído Johnson-Nyquist: como essa descoberta mudou nossa tecnologia?
Na história da eletrônica, um tipo de ruído é considerado onipresente: o ruído Johnson-Nyquist. Este ruído eletrônico, causado pelo movimento de partículas quentes, está presente independentemente de qualquer tensão aplicada, tornando-se uma parte inevitável de todos os circuitos eletrônicos. Os efeitos deste ruído são particularmente perceptíveis em equipamentos eletrônicos sensíveis, como receptores de rádio, onde sinais fracos podem ser ocultados pela umidade, limitando a sensibilidade dos instrumentos de medição elétricos. À medida que a tecnologia avança, a questão de como gerir e reduzir este ruído é intrigante, e foi para isso que Johnson e Nyquist contribuíram.
O ruído Johnson é gerado pelo movimento térmico de portadores carregados (geralmente elétrons) dentro de um condutor elétrico e ocorre em equilíbrio com ou sem uma tensão aplicada.
A história do ruído térmico
A história do ruído térmico remonta a 1905, quando Albert Einstein explicou pela primeira vez o movimento browniano em termos de flutuações térmicas na sua famosa publicação daquele ano. No ano seguinte, ele propôs que esse fenômeno também pudesse ser usado para derivar uma teoria de correntes termicamente excitadas, embora não tenha concluído os cálculos, tratando-o como uma teoria não verificável. No entanto, com o tempo, a teoria teve aplicações práticas e desenvolvimento.
Em 1912, a filha de Hermann Lorenz, Gertrude de Haas-Lorenz, expandiu a teoria estocástica de Einstein e aplicou-a aos elétrons pela primeira vez em sua tese de doutorado. Pesquise e derive a fórmula para o valor quadrático médio da corrente térmica. Em 1918, enquanto estudava o ruído térmico, Walter H. Schottky descobriu acidentalmente outro tipo de ruído, o ruído de tiro. Mais tarde, em 1927, Fritz Zelnick chegou à mesma conclusão sobre o ruído térmico em testes de um galvanômetro de alta sensibilidade. Ele concluiu que o ruído era de natureza térmica.
Em seu artigo de 1928, Nyquist usou os princípios da termodinâmica e da mecânica estatística para explicar os resultados experimentais de John e os publicou formalmente. Essa descoberta afetou profundamente o desenvolvimento subsequente da eletrônica.
A aplicação do ruído térmico na tecnologia moderna
Com o avanço da tecnologia eletrônica, o impacto do ruído Johnson-Nyquist em equipamentos eletrônicos sensíveis tem recebido cada vez mais atenção. Em alguns casos, esse ruído pode até se tornar um fator limitante importante nas medições. Portanto, muitos dispositivos eletrônicos sensíveis, como receptores de radiotelescópios, são frequentemente resfriados a temperaturas tão baixas quanto alguns Kelvin para melhorar sua relação sinal-ruído.
Medição e Aplicação
Além disso, as características do ruído Johnson-Nyquist também são usadas na tecnologia de medição de precisão, conhecida como calorímetro de ruído Johnson. Em 2017, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) utilizou esta tecnologia para medir a constante de Boltzmann, com uma precisão inferior a 3 ppm. Isto não só torna a constante de Boltzmann uma constante mensurável experimentalmente, mas também estabelece as bases para a redefinição de Kelvin em 2019.
Desafios e perspectivas futuras
No entanto, embora a tecnologia tenha feito grandes progressos, como reduzir ainda mais o ruído para melhorar a sensibilidade dos dispositivos eletrônicos ainda é uma questão importante. Muitos investigadores também estão a explorar novos materiais ou novas estruturas, na esperança de superar os desafios colocados pelo ruído térmico e obter medições de maior precisão.
Enfrentando os desafios da tecnologia futura, se o ruído Johnson-Nyquist pode ser efetivamente controlado e reduzido em sistemas eletrônicos se tornará um indicador importante de uma tecnologia eletrônica mais sensível e eficaz.
Em última análise, no processo de desenvolvimento tecnológico, como transformar o conhecimento do ruído Johnson-Nyquist em tecnologia de aplicação mais eficiente e reduzir seu impacto no desempenho do equipamento é um desafio que muitos cientistas devem enfrentar?
