导体中电的热扰动

约翰逊

编者按

在电子通讯和电话通信的早期，工程师们的目标是将电路中的噪声降至最小。但贝尔电话实验室的物理学家、工程师约翰·约翰逊认为，噪声的减少是有基本极限的。约翰逊指出：即使在没有加载外部电流的情况下，导电体也会表现出由自发热扰动导致的电压波动。这种电压噪声与样品的温度直接相关，这使约翰逊联想到它应该是由随机热能的连续激励和扰动造成的。因此他得出以下结论：在电路中能够被有效放大的最小电压受到组成电路的材料的限制。　　英文

普通的导电体是电压自发涨落的来源，而这种波动电压可以用足够灵敏的仪器进行测量。导体的这种性质是导体材料中电荷热扰动的结果。　　英文

在各种导体中都已经观测到这类效应，并以电阻的形式，通过终端连接温差电偶的真空管放大器对此进行了测量。它通常作为所谓的“电子管噪声”现象的一部分而表现出来。源于电阻波动的这部分效应造成了电压均方值V2的波动，此波动与电阻值R成正比。比率V2/R与导体的性质和形状无关，对金属丝、石墨、金属薄膜、绘图墨水薄膜及强电解质或弱电解质来说，该比率都是相同的。然而，该比率却与温度有关，并与电阻的绝对温度成正比。这种温度依赖性表明，与R成比例的噪声分量来自导体，而不是来自真空管。　　英文

目前已经有人用对电流灵敏的仪器——弦线电流计观测到类似现象并正确地进行了解释（老艾因特霍芬、小艾因特霍芬、范德霍斯特以及赫希菲尔德，《物理学》，第5卷，第358～360页，第11/12期，1925年）。在这些情况下测量到的是，导体中的热能与电势或电流能量的随机交换引起的持续冲击激发对测量装置的影响。因为该效应对不同导体是相同的，所以显然它与传导的特定机制无关。　　英文

正如从散粒效应的经验可以预期的那样，观测到的噪声的量及其特性与放大器的频率特性有关。在室温下，来自电阻的表观输入功率在10–18瓦的量级。至少在声频范围内，相应的输出功率与功率放大–频率关系图中曲线下的面积成正比。当采用无输入电阻的最平稳的真空管时，“初始噪声”的量级约与在室温下输入回路中5,000欧姆的电阻产生的噪声量级相同。因此，对于放大技术而言，这种效应意味着可以被有效放大的电压的最小值与构成电路的材料有关，而不由真空管决定。　　英文

（沈乃澂　翻译；赵见高　审稿）