Ruido Johnson-Nyquist para elemento resistivo con gradiente de temperatura

En el artículo de Nyquist de 1928, Agitación térmica de la carga eléctrica en los conductores , el ruido de voltaje para una resistencia se deriva asumiendo un circuito en equilibrio térmico y una temperatura.

¿Cómo cambia el ruido térmico de una resistencia cuando hay un gradiente de temperatura? Por ejemplo, ¿un circuito que tiene diferentes resistencias a temperaturas extremadamente diferentes, o un elemento resistivo largo que tiene un gradiente de temperatura en todo el conjunto?

Nyquist mira un circuito como este

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donde ambos R 1 y R 2 están a la misma temperatura T . Cada resistencia con ruido se modela como una resistencia sin ruido en serie con una fuente de ruido para que puedan considerarse una a la vez.

Nyquist usa el hecho de que el circuito está en equilibrio térmico dos veces en su derivación: una vez para argumentar que la potencia de R 1 a R 2 es igual a la potencia de R 2 a R 1 , y una vez para usar el teorema de equipartición y asignar una energía k B T / 2 a cada grado de libertad de cada modo en una línea de transmisión entre las dos resistencias.

Si la temperatura de las resistencias es diferente, ¿realmente puedes decir que la potencia de cada una es la misma? Si R 1 y R 2 están a diferentes temperaturas y no en equilibrio térmico, entonces parece que no puedes usar el teorema de equipartición y toda la derivación se desmorona. ¿Hay alguna forma diferente de tratar el caso de las resistencias a diferentes temperaturas?

¿Sería más apropiado mostrar toda la derivación y luego hacer la pregunta al respecto? Me preocupa que sería una pregunta muy larga.

Respuestas (1)

"un circuito que tiene diferentes resistencias a temperaturas extremadamente diferentes": cada resistencia emite independientemente su propio ruido relacionado con su propia temperatura.

"un elemento resistivo largo que tiene un gradiente de temperatura a lo largo de todo": en realidad es lo mismo otra vez. Trátelo como un gran número N de resistencias en serie, cada una con una resistencia de R/N y cada una con una temperatura ligeramente diferente.

ACTUALIZACIÓN: creo que no comprende el papel que juega el equilibrio térmico en la derivación. Nyquist está tratando de responder a la pregunta "¿Cuál es el ruido creado por una resistencia a la temperatura T?" Luego propone un experimento mental , una circunstancia particular en la que la respuesta a la pregunta es especialmente obvia. Pero sin embargo la respuesta es general. Este tipo de cosas, donde derivas un principio general utilizando un experimento mental específico, es común en las derivaciones de la física.

El voltaje de ruido creado por una resistencia es obviamente independiente de qué más hay en el circuito, o qué temperatura tiene ese otro material. (Las consecuencias del voltaje, por supuesto, dependen de todo el circuito a través de las leyes de Kirchhoff). Por lo tanto, las conclusiones del experimento mental de Nyquist se pueden aplicar en cualquier otra circunstancia.

Steve, gracias por la respuesta. Me preocupa porque la derivación requiere equilibrio térmico a una temperatura fija, y no estoy seguro de que esté claro que se pueda aplicar a un caso diferente. ¿Puede tal vez proporcionar un argumento de por qué todavía es aplicable?