Флуктуация
Флуктуа́ция (от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое хаотическое изменение. В квантовой механике — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами.
Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеянию света веществом и потере прозрачности.
Флуктуации, вызванные квантовомеханическими эффектами, присутствуют даже при температуре абсолютного нуля. Они принципиально неустранимы. Пример проявления квантовомеханических флуктуаций — эффект Казимира, а также силы Ван-дер-Ваальса. Непосредственно наблюдаемы квантовомеханические флуктуации для заряда, прошедшего через квантовый точечный контакт — квантовый дробовой шум.
В фантастической повести А. и Б. Стругацких «Стажёры» флуктуация определяется как отклонение от наиболее вероятного состояния, причём вероятность этого отклонения ничтожно мала. Персонаж повести Жилин описывает свою встречу с человеком, называющим себя «Гигантской флюктуацией». Этот человек так себя называл, потому что на события, происходящие с ним, не распространялась теория вероятностей. С ним происходили невероятные события столь часто, что это ломало всю теорию.
ФЛУКТУАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ:
Хаотич. изменения потенциалов, токов и зарядов в электрич. цепях и линиях передачи, вызываемые тепловым движением носителей заряда и др. физ. процессами в веществе, обусловленными дискретной природой электричества (естеств. Ф. э.), а также случайными изменениями и нестабильностью характеристик цепей (техн. Ф. э.). Ф. э. возникают в проводниках, электронных и ионных приборах, а также в атмосфере, где происходит распространение радиоволн .Ф. э. приводят к появлению ложных сигналов - шумов на выходе усилителей электрич. сигналов, ограничивают их чувствительность и помехоустойчивость, уменьшают стабильность генераторов и устойчивость систем автоматич. регулирования и т. д.
В проводниках в результате теплового движения носителей заряда возникает флуктуирующая разность потенциалов (тепловой шум). В металлах из-за большой концентрации электронов проводимости и малой длины их свободного пробега тепловые скорости электронов во много раз превосходят скорость направленного движения (дрейфа) в электрич. поле. Поэтому Ф. э. в металлах зависят от темп-ры, но не зависят от приложенного напряжения (см.
Найквиста формула ).При комнатной темп-ре интенсивность тепловых Ф. э. остаётся постоянной до частот . Хотя тепловые Ф. э. возникают только в активных сопротивлениях, наличие в цепи реактивных элементов (конденсаторов и катушек индуктивности) может изменить частотный спектр Ф. э.
В неметаллич. проводниках Ф. э. увеличиваются за счёт медленной случайной перестройки структуры проводника под действием тока (при ). Эти Ф. э. на неск. порядков превышают тепловые.
Ф. э. в эл--вакуумных и ионных приборах связаны гл. обр. со случайным характером электронной эмиссии с катода (дробовой шум ).Интенсивность дробовых Ф. э. практически постоянна для f < 108 Гц. Она зависит от присутствия остаточных ионов и величины пространств, заряда. Дополнит, источники Ф. э. в этих приборах - вторичная электронная эмиссия с анода и сеток электронных ламп, динодов фотоэлектронных умножителей и т. п., а также случайное перераспределение тока между электродами. Наблюдаются также медленные Ф. э., связанные с разл. процессами на катоде. В газоразрядных приборах низкого давления Ф. э. возникают из-за теплового движения электронов.
В полупроводниковых приборах Ф. э. обусловлены случайным характером процессов генерации и рекомбинации электронов и дырок (генерационно-рекомбинац. шум) и диффузии носителей заряда (диффузионный шум). Оба процесса дают вклад как в тепловой, так и в дробовой шумы полупроводниковых приборов. Частотный спектр этих Ф. э. определяется временами жизни и дрейфа носителей. В полупроводниковых приборах на низких частотах наблюдаются также Ф. э., обусловленные «улавливанием» электронов и дырок дефектами кристаллич. решётки (модуляционный шум).
В приборах квантовой электроники Ф. э. ничтожно малы и обусловлены спонтанным излучением (см. Квантовый усилитель).
Так называемые техн. Ф. э, связаны с температурными изменениями параметров цепей и их «старением», нестабильностью источников питания, с помехами от промышл. установок, вибрацией и толчками, с нарушениями электрич. контактов и т. п.
Ф. э. в генераторах электромагнитных колебаний вызывают модуляцию амплитуды и частоты колебаний (см. Модулированные колебания ),что приводит к появлению непрерывного частотного спектра колебаний и к ушире-нию спектральной линии генерируемых колебаний до 10-7-10-12 от несущей частоты.
Лит.: Бонч-Бруевич А. M., Радиоэлектроника в экспериментальной физике, M., 1966; Малахов A. H., Флуктуации в автоколебательных системах, M., 1968; Ван дер Зил А., Шум [в электронных приборах], пер. с англ., M., 1973; Cуходоев И. В., Шумы электрических цепей, M., 1975; Рытов С. M., Введение в статистическую радиофизику, ч. 1, M., 1976; Робинсон Ф. H. X., Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях, пер. с англ., M., 1980.
