1. 열적 불규칙 운동에 따른 주요 물리량
※ 다음에 열거된 물리량들 모두가, `기체분자운동론`에 기초하여 해석할 수 있음
- 기체분자운동론 이란?
. 개별 분자들의 열운동을 전체 기체의 압력,부피,온도와 평균적으로 연결시켜줌
- 여기서, 열 운동 (Thermal Motion) ≒ 열적 불규칙 운동 이란?
. 절대온도 0 K 이상에서, 모든 입자(분자 등)가 갖게되는 무작위 운동(병진,회전,진동)으로써,
. 주로, 그 중 병진운동과 관계된 열적 불규칙 운동 만을 지칭함
ㅇ 열 에너지 (Thermal Energy)
- 열적 불규칙 운동에서,
. 기체 분자 입자 하나하나가 갖을 수 있는,
. 평균 운동에너지를 지칭 ☞ 내부 에너지 (Internal Energy) 참조
- 이때, 에너지 등분배 법칙으로부터 평균 운동에너지는, :
. k = R/NA = 1.38x10-23 [J/K]
. (k : 볼츠만상수, R : 보편기체상수, NA : 아보가드로 수)
* 한편, 열 에너지는 열 복사 에너지와 관련됨 ☞ 열 복사 (Heat Radiation) 참조
ㅇ 열 속도 (Thermal Velocity)
- 열적 불규칙 운동에서 기체 분자 입자 하나가 갖을 수 있는 평균적 속도
. 전자 등 입자의 운동에너지 : 1/2 m* vth2
.. m* : 입자 종류 및 주위환경을 고려한 유효 질량
. 따라서, 열에너지 3/2 kT = 1/2 m* vth2 로부터
.. 열 속도 :
ㅇ 열 전압 (Thermal Voltage) : VT
- pn 접합 양단간의 전류 전압 관계식에서 지수항의 분모 ☞ 쇼클리 다이오드 방정식 참조
. I = Is [ exp(V/VT) - 1 ] ≒ Is exp(V/VT)
.. Is : 포화 전류
.. VT = kT/q : 열 전압(Thermal Voltage), 실온(T=300 K)에서 대략 26 mV
.. k : 볼츠만 상수 (1.381x10-23 [J/K])
.. T : 절대 온도 [K] (실온, T=300 K)
.. q : 전자 전하량 [C] (1.602 x 10-19 [C])
ㅇ 열 잡음 전압 (Thermal Noise Voltage) = 존슨 잡음 전압
- 저항 양단에 걸리는 AC rms 잡음 전압 :
* 1926년 벨 연구소 John Johnson이 저항 양단에 온도에 비례하는 불가피한 잡음 전압
을 발견하고, 이를 Nyquist가 이론적으로 설명을 함