Броуновское движение

Броуновское движение есть следствие того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Поэтому бро́уновским движе́нием называется тепловое движение микроскопических взвешенных частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее), находящейся в жидкой или газообразной среде. В математике, а точнее в теории случайных процессов, Броуновское движение (Винеровский процесс) – это гауссовский процесс с независимыми приращениями, у которого математическое ожидание равно нулю, а среднеквадратическое отклонение равно . Иногда под броуновским движением неправильно понимают само тепловое движение атомов и молекул.

Сейчас для проверки наблюдения Броуна достаточно иметь не очень сильный микроскоп и рассмотреть с его помощью дыма в зачерненной коробочке, освещенный через боковое отверстие лучом интенсивного света. В газе явление проявляется значительно ярче, чем в жидкости: видны рассеивающие свет маленькие клочки пепла или сажи (в зависимости от источника дыма), которые непрерывно скачут туда и сюда. Исследователи составили новую версию уравнения, описывающего броуновское движение, и отметили, что расхождение с прежней теорией наблюдается тем большее, чем к меньшим масштабам времени переходит наблюдатель.

И диффузия, и броуновское движение являются следствием хаотичного теплового движения молекул и потому описываются сходными математическими зависимостями. Различие состоит в том, что молекулы в газах движутся по прямой, пока не столкнутся с другими молекулами, после чего меняют направление движения. Броуновская же частица никаких «свободных полетов», в отличие от молекулы, не совершает, а испытывает очень частые мелкие и нерегулярные «дрожания», в результате которых она хаотически смещается то в одну, то в другую сторону. Диффузию наблюдать намного проще, для этого не нужен микроскоп: наблюдаются перемещения не отдельных частиц, а огромной их массы, нужно только обеспечить, чтобы на диффузию не накладывалось конвекция – перемешивание вещества в результате вихревых потоков.

Теория случайных блужданий имеет важное практическое приложение. Говорят, что в отсутствие ориентиров (солнце, звезды, шум шоссе или железной дороги и т.п.) человек бродит в лесу, по полю в буране или в густом тумане кругами, все время возвращаясь на прежнее место. На самом деле он ходит не кругами, а примерно так, как движутся молекулы или броуновские частицы. На прежнее место он вернуться может, но только случайно. А вот свой путь он пересекает много раз. Рассказывают также, что замерзших в пургу людей находили «в каком-нибудь километре» от ближайшего жилья или дороги, однако на самом деле у человека не было никаких шансов пройти этот километр.

Исследование шумов преследует разнообразные цели: изучение источников шумов для уменьшения их вредного воздействия на человека и на различные системы; изыскание способов и средств наилучшего (оптимального) приёма, обнаружения и измерения параметров разных сигналов в присутствии шума; повышение точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации и др. Надежность и достоверность работы электронных вычислительных машин в существенной степени определяются их помехозащищенностью по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов ЭВМ зависят как сроки ее разработки, изготовления и наладки, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации. Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае, когда разработка электрических схем и конструкций элементов и узлов ЭВМ неразрывно связаны. Аналогичный подход справедлив и для всех прочих устройств. Для измерения характеристик Шума применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др. В ряде случаев шум используется как источник информации. Например, в военно-морской технике по шуму, создаваемому на ходу подводными лодками и надводными кораблями, их обнаруживают и пеленгуют; в радиоастрономии по Шуму в определённых диапазонах частот исследуется радиоизлучение звёзд и других космических образований. Шумоподобные сигналы применяются в технике радио- и акустических измерений, например в архитектурной акустике. Некоторые звуки, используемые в музыке, по физическому существу шумовые или обладают шумовыми признаками. Встречающиеся в речи шумные согласные по своим свойствам также являются шумами.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды шумов вы знаете?

2. Как и где используются Шумы Найквиста?

3. Что называется Броуновским движением?

4. Что такое диффузия?

5. В чем различие между диффузией и броуновским движением?

6. Что такое точность измерений?

7. Какие виды погрешности вы знаете?

8. В чем заключается Дробовый эффект?

9. Дайте определение помехе.

Список используемой литературы:

1. Суханов А.Д., Голубева О.Н. «Концепции современного естествознания»

2. Тищенко О.Ф., Валединский А.С. «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения»

3. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. « Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения»

4. Новая иллюстрированная энциклопедия, 2001г., т.8, т.16

5. Жигалов Ю.И. «Концепции современного естествознания

6. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. «Основные концепции современного естествознания»

7. Скопин А.Ю. «Концепции современного естествознания»

8. Лабзовский Л.Н. «Теория атома: Квантовая электродинамика электронных оболочек и процессы излучения»

9. Карпенков С.Х. «Концепции современного естествознания»

10. Леонтович М.А. «Волновая физика»

11. Вайскопф В.Н. «Наука и удивительное»

12. Гутина Л. К., Идлис Г. М., Кузнецов Н. А. «Естествознание»

13. Инфельд Л., Эйнштейн А. «Эволюция физики»

14. Пригожин И. «От существующего к возникающему»

15. Баблоянц А. «Молекулы, динамика, жизнь»

16. Гейзенберг В. «Физика и философия. Часть и целое»

17. НиколисДж. «Динамика иерархических структур»

18. Новиков И. Д. «Куда течет река времени»

19. Планк М. «Единство физической картины мира»

20. Кравченко А.Ф. «Физические основы функциональной электроники»

21. Бремер Дж. «Сверхпроводящие устройства»

22. Крайзмер Л.П. «Устройства хранения дискретной информации»

23. Харрисон У. «Теория твердого тела»

24. Епифанов Г.И. «Физика твердого тела»

25. Мочалов В.Д. «Магнитная микроэлектроника»

26. Кресин В.З. «Сверхпроводимость и сверхтекучесть»

27. Анималу А. «Квантовая теория кристаллических твердых тел»

28. Алфеев В.Н., Бахтин П.А., Васенков А.А., Войтович И.Д., Ма­хов В.И. «Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках»

29. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Е. «Введение в микроэлектронику»

30. Аристов Е.М. «Физические величины и единицы их измерения»

31. Беклемишев А.В. «Меры и единицы физических величин»

32. Богуславский М.Г., Кремлевский П.П., Олейник Б.Н., Чечурина Е.Н., Широков К.П. «Таблицы перевода единиц измерений»

33. Бриджмэн П.В. «Анализ размерностей»

34. Бурдун Г.Д. «Единицы физических величин»

35. Бурдун Г.Д., Калашников Н.В., Стойкий Л.Р. «Международная система единиц»

36. Гинкин Г.Г. «Логарифмы, децибелы, децилоги»

37. Гордов А.Н. «Температурные шкалы»

38. Давыдов В.В. «Применение новой Международной системы единиц в технике»

39. Данилов Н.И. «Единицы измерения»

40. Калантаров П.Л. «Единицы измерений электрических и магнитных величин»

41. Калашников Н.В., Стоцкий Л.Р. и др. «Единицы измерений и обозначений физико-технических величин»

42. Коган Б.Ю. «Размерность физической величины»

43. Лисенков А.А. «Международная система единиц»

44. Маликов С.Ф. «Практические электрические единицы (международные и абсолютные)»

45. Малицкий А.Н. «Единицы измерения электрических и магнитных величин»

46. Савенко В.Г. «Международная система единиц (СИ)»

47. Седов Л.И. «Методы подобия и размерности в механике»

48. Сена Л.А. «Единицы измерения физических величин»

49. Хвольсон О.Д. «Об абсолютных единицах, в особенности магнитных и электрических»

50. Чертов А.Г. «Единицы измерения физических величин»

51. Чертов А.Г. «Международная система единиц измерении»

52. Широков К.П. «О внедрении международной системы единиц»

53. Филиппов В. П. и др. «Учет фактора накопления в оценке значения величины эффекта»

54. Арутюнян И.Н. «Семь путешествий в микромир»

55. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. «Субатомная физика»

56. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Теоретическая физика»

57. Савельев И.В. «Курс общей физики, т. II. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика»

58. Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю. «Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях»

59. Бонштедт Б. Э., Маркович М. Г. «Фокусировка и отклонение пучков в электроннолучевых приборах»

60. Страшкевич А. М. «Электронная оптика электростатических систем»

61. Глазер В. «Основы электронной оптики»

62. Гринберг Г. А. «Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений»

63. Городько А.Б., Романов Р.В., «Компьютерное моделирование
опыта Милликена в курсе электромагнетизма»

64. Брюхе Е., Шерцер О. «Геометрическая электронная оптика»

65. Зинченко Н. С. «Курс лекций по электронной оптике»

66. Кельман В. М., Явор С. Я. «Электронная оптика»