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Thermisches Rauschen
Thermisches Rauschen
Definition
Thermisches Rauschen, auch bekannt als Johnson-Nyquist-Rauschen, ist ein elektrisches Rauschen, das durch die zufällige thermische Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter oder Widerstand entsteht. Es tritt unabhängig von äußeren Spannungsquellen auf und ist eine fundamentale Eigenschaft aller elektrischen Bauelemente bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt.
Entstehung
Die ständige thermische Bewegung von Elektronen verursacht kleine Spannungsschwankungen, die als Rauschsignal messbar sind. Höhere Temperaturen führen zu stärkerem Rauschen.
Mathematische Beschreibung
Die effektive Rauschspannung VRMS über einen Widerstand R wird durch folgende Formel beschrieben:
VRMS = √(4kB T R Δf)
- kB: Boltzmann-Konstante (1,38 × 10−23 J/K)
- T: Temperatur (Kelvin)
- R: Widerstand (Ohm)
- Δf: Frequenzbandbreite (Hertz)
Eigenschaften
- Breitbandig: Über ein großes Frequenzspektrum verteilt (weißes Rauschen).
- Temperaturabhängig: Steigende Temperatur erhöht das Rauschen.
- Unvermeidlich: Gehört zur Grundcharakteristik elektronischer Systeme.
Technische Bedeutung
Thermisches Rauschen setzt eine fundamentale Grenze für die Empfindlichkeit von:
- Verstärkern
- Sensoren
- Radioempfängern
- Medizintechnischen Geräten (z.B. EEG, EKG)
Abgrenzung zu anderen Rauscharten
- Schrotrauschen: Entsteht durch diskrete Ladungstransporte.
- 1/f-Rauschen: Nimmt bei niedrigen Frequenzen zu.
- Quantisierungsrauschen: Tritt bei Digitalisierung analoger Signale auf.
Zusammenfassung
Thermisches Rauschen ist eine unvermeidliche, temperaturabhängige Form des elektrischen Rauschens, die die Leistungsgrenzen elektronischer Systeme mitbestimmt.