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Rauschen

Nicht nur überall dort, wo Strom fließt, sondern auch über den Enden eines stromlosen Widerstandes, tritt aufgrund der thermischen Elektronenbewegung eine Rauschspannung auf, deren Effektivwert abhängig von der Höhe des Widerstandes und der Temperatur ist. Über den kurzgeschlossenen Enden des Widerstandes fließt der Rauschstrom mit dem Effektivwert .
Der Effektivwert der auftretenden Rauschspannung am Widerstand kann beschrieben werden durch:
(II.1)
bzw. der Effektivwert des fließenden Rauschstromes mit:
. (II.2)
Hier stellen die Größe k mit die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur in K, R den betrachteten Widerstand in sowie B den in der Messung berücksichtigten Frequenzbereich, die Messbandbreite in Hz dar.
Auch an pn-Übergängen tritt aufgrund des unregelmäßigen und temperaturabhängigen Durchtritts der Ladungsträger durch die Grenzschicht ein nicht stetiger Strom auf.

Da es sich um einen zufälligen Vorgang handelt, werden die Effektivwerte der beiden Größen Rauschstrom und Rauschspannung durch Integration der Rauschdichten über der Frequenz gewonnen. Die Boltzmann-Konstante ist eine Größe aus der Thermodynamik, welche es erlaubt, die mittlere kinetische Energie eines Teilchens mit Hilfe der Temperatur zu bestimmen.
Die Rauschleistung setzt sich im Falle der Leistungsanpassung aus der Hälfte der Leerlaufspannung bzw. der Hälfte des Kurzschlussstromes zusammen:
. (II.3)
Somit ist die theoretisch konstante Rauschenergie in einem Frequenzintervall von 1Hz bei einer angenommenen Temperatur von 290K (ca. 27°C) gleich .
Dieses sogenannte weiße Rauschen hat im gleichen absoluten Frequenzintervall die gleiche Rauschleistung, rosa Rauschen besitzt im gleichen relativen Frequenzintervall (z.B. Frequenzverdopplung = Oktave) die gleiche Rauschleistung, letzteres wird auch als -Rauschen bezeichnet.
Man unterscheidet zwischen verschiedenen Rauscharten, die aufgrund vielfältigster Ursachen zustande kommen: dem thermischen Rauschen (Nyquist- bzw. Johnson-Rauschen), dem Schrotrauschen, dem Funkelrauschen, dem Lawinenrauschen, dem Barkhausen Rauschen, dem Popcornrauschen, um nur einige Rauscharten zu nennen.

1. Strom, Spannung, Ohmsches Gesetz


Als elektrischen Strom bezeichnet man die kontinuierliche oder schwingende Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter. Der Augenblickswert der Stromstärke ist die im Zeitintervall dt durch den Leiterquerschnitt fließende Ladungsmenge dQ:
(II.4)
Handelt es sich um eine zeitlich unveränderliche Ladungsmengenänderung, spricht man vom Gleichstrom:
(II.5)
Die Stromstärke hat die Einheit 1A (Ampere).
Der Strom hat positive Richtung bei Betrachtung der Bewegungsrichtung positiver Ladungen, also vom Pluspol zum Minuspol der Spannungsquelle (technische Stromrichtung).

Damit der Strom fließen kann, muss ein Unterschied an Ladungen zwischen zwei Punkten im Raum existieren (Spannung). Diesen Unterschied zu erzeugen, bedeutet, Ladungen mit Hilfe von Energie voneinander zu trennen, da ihnen das Bestreben innewohnt, Ladungsunterschiede aufgrund der Anziehungskräfte zwischen unterschiedlichen Ladungen auszugleichen.
Diese Energiemenge versinnbildlicht die Quellenspannung. Die Energie wird dem Stromkreis durch die Spannungsquelle zugeführt.

Die Ladungstrennung kann durch verschiedene teilweise auch im tontechnischen Bereich anzutreffende Erscheinungen hervorgerufen werden:
Ursache

Vorgang

Anwendung
Induktionsvorgänge

Bewegung von Leitern in der Nähe von magnetischen Feldern

Dynamo, Generator, Tauchspulenmikrofon
chemische Reaktionen

Eintauchen von Leitermaterial in elektrolytische Flüssigkeiten

Akkumulatoren, Batterien
Thermoelektrischer Effekt

Erwärmung der Kontaktstellen zwischen verschiedenen Metallen

Thermoelement
Piezoelektrischer Effekt

Mechanischer Druck auf polare Kristalle

Piezomikrofon
Innerer Fotoeffekt

Lichteinstrahlung auf Halbleiterübergänge

Solarzelle​
Tabelle 1[1]

Quellenspannung
Sie ist die Ursache des Stromflusses und stellt den Ladungsantrieb dar. In ihr kommt die Zunahme der Energie der Ladungen im Stromkreis zum Ausdruck.
(II.6)

Spannungsabfall

Der Spannungsabfall ist die Wirkung des Stromflusses. In ihm kommt die Abgabe der Energie der Ladungen im Stromkreis zum Ausdruck.
(II.7)
Spannung
Die Spannung bezeichnet die zur Verschiebung der Ladungsmenge Q erforderliche Energie W bezogen auf diese Ladungsmenge.
(II.8)
Die elektrische Spannung hat die Einheit 1V (Volt).

[1] vgl. H. Lindner, H. Brauer, C. Lehmann, Elektrotechnik - Elektronik, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1982, 1. Auflage, S.16