Alle Objekte über dem absoluten Nullpunkt geben aufgrund zufälliger Kollisionen zwischen den Atomen, aus denen sie bestehen, Strahlung ab. Das Spektrum der emittierten Strahlung variiert je nach Temperatur des Objekts, ich glaube, aufgrund der zufälligen Geschwindigkeiten, mit denen Atome aufeinander treffen und Photonen mit zufälligen Energien / Wellenlängen erzeugen, die einer Wahrscheinlichkeitsverteilung folgen. Die Energie und Frequenzen steigen mit steigender Temperatur. Dies wird als Wärmestrahlung bezeichnet, die mit der Schwarzkörperstrahlung verwandt ist.
Alle elektrischen Komponenten erzeugen aufgrund der zufälligen thermischen Bewegung der Elektronen, aus denen sie bestehen, kleine Störströme. Der Strom-/Spannungspegel steigt mit steigender Temperatur bei konstant weißem Spektrum. Dies wird als thermisches Rauschen oder Johnson-Rauschen bezeichnet.
Was ist die Beziehung zwischen diesen? Werden sie durch den gleichen Prozess erstellt? Warum sind ihre Spektren unterschiedlich?
Schwarzkörperstrahlung ist eine idealisierte Beschreibung der Wärmestrahlung eines Stoffes, der sich im thermischen Gleichgewicht befindetmit dem Photonenfeld. Ihre Beschreibung in der Frage, die Wärmestrahlung und Schwarzkörperstrahlung gleichsetzt, ist daher nicht ganz genau. In der Tat ist Schwarzkörperstrahlung im Vergleich zu Wärmestrahlung im Allgemeinen ziemlich einfach – Schwarzkörperstrahlung hängt überhaupt nicht von Materialeigenschaften ab, sondern nur von der Temperatur und den Grundkonstanten des elektromagnetischen Felds. Warum ist das? Wenn sich zwei Dinge im thermischen Gleichgewicht befinden, können wir philosophisch gesehen zwischen vielen ihrer Eigenschaften "ein Gleichheitszeichen setzen". Befindet sich ein Objekt im thermischen Gleichgewicht mit dem Feld der Photonen, benötigen wir zum Verständnis der von ihm emittierten Strahlung daher nur Eigenschaften, die sich aus der statistischen Mechanik und dem Spektrum der Photonen in drei Dimensionen ergeben.
Das Johnson-Rauschen ist auch unabhängig von den Eigenschaften des Materials, und da es auch mit elektromagnetischen Feldern zu tun hat, könnte man erwarten, dass es mit der Schwarzkörperstrahlung im Inneren des Leiters zusammenhängt. Das ist in der Tat der Fall, aber jetzt müssen wir uns mit Photonen in einer Dimension beschäftigen, da die typische Umgebung für Johnson-Rauschen eher in einem Draht als im freien Raum liegt! Dies erklärt den Unterschied in den Formeln. Ableitungen von Johnson Noise in diesem Zusammenhang finden Sie hier und hier (nur aus einer Google-Suche nach "Johnson Noise" und "Blackbody").
In diesem klassischen Artikel von Robert Dicke aus dem Jahr 1946 mit dem Titel „The Measurement of Thermal Radiation at Microwave Frequencies“ können Sie eine Diskussion darüber lesen, wie man Johnson-Rauschen in Bezug auf Schwarzkörperstrahlung betrachtet . Der dort gemachte physikalische Punkt ist, dass eine Antenne Schwarzkörperstrahlung bei Temperatur empfängt und einen Widerstand auf Temperatur Das Erleben von Johnson-Rauschen muss die gleiche Kraft haben. Der Unterschied in den Formen der Leistungsspektren ist offensichtlich auf die Frequenzabhängigkeit des Detektionsmusters der Antenne zurückzuführen.
Endolith
Daniel Sank