Большой интерес в физике представляют динамические процессы в нелинейных системах, приводящие к самопроизвольному появлению упорядоченных пространственно-временных структур. Одним из примеров таких процессов является автоколебательный процесс, возникающий в трубке, внутрь которой помещен нагреватель в форме спирали - трубке Рикке (рис.1).

При пропускании через спираль электрического тока, приводящего к ее нагреванию, трубка начинает звучать, то есть в ней возникают периодические колебания воздуха. Каковы же причины вызывающие автоколебательный процесс в трубке Рикке? Ответить на этот вопрос ни так просто ведь для этого нужно объяснить как из хаотического теплового движения частиц газа возникает упорядоченная пространственно-временная структура - стоячая звуковая волна в трубке.

     Как известно, для того чтобы в системе возникли колебания  ее нужно вывести из положения равновесия. В данном случае равновесие рассматривается в широком термодинамическом смысле. Так как в исходном состоянии температура и давление в различных точках трубки приблизительно одинаковы, то систему можно считать равновесной.

После включения нагревателя температура в некоторых точках увеличивается и вследствие этого система становится неравновесной. При этом она является также открытой,  так как происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой. При достаточно малых градиентах температуры перенос тепла происходит за счет теплопроводности. Это молекулярный - неорганизованный - процесс. Он не сопровождается упорядоченным гидродинамическим движением, которое могло бы управлять переносом тепла.

Ситуация существенно меняется, когда градиент температуры достигает некоторого критического значения. Изменение заключается в том, что в газе возникает упорядоченное макроскопическое движение, называемое конвективным. В результате происходит саморегулировка  теплового потока. Задается лишь градиент температуры. Перестройка же движения происходит  благодаря внутренним свойствам самой системы. Поток  холодного воздуха, приходящего в трубку, охлаждает спираль. Это приводит к уменьшению скорости потока и, спустя некоторое время, спираль опять прогревается.  Процесс повторяется вновь. Таким образом, в трубке возникает пульсирующий воздушный поток.  Колебания воздуха вызывают сгущения и разрежения,  быстро распространяющиеся в трубке туда и обратно (рис. 2).

Области максимальных колебаний называют пучностями.      Сгущения отражаются от открытых концов трубы в виде разрежений,  а разрежения отражаются в виде сгущений.  Отраженные волны встречаются в середине трубы так,  что образуется некоторая точка по обе стороны  от которой  колебательные движения воздуха имеют противоположное направление.  Таким образом, в этой точке, называемой узлом, нет никаких колебаний.  Вследствие  этого трубка является акустическим резонатором,  в котором возникают стоячие звуковые волны. Длина волны равна четырехкратному расстоянию от пучности до узла, то есть длина трубки составляет половину длины волны (рис. 3). Общее для  всех  способов возбуждения всяких звуков заключается в том, что для возбуждения звука всегда требуется энергия Необходима она и для компенсации потерь,  чтобы колебания были незатухающими. В какой же форме энергия сконцентрирована в звуковой волне?

Сгущение представляет собой область,  где воздух мгновенно сжимается.  В момент максимального сгущения частицы воздуха должны придти к покою; следовательно, в сгущении энергия частиц воздуха - потенциальна по форме.  Но по мере того как сгущение расходится,  частицы  движутся все  быстрее и обладают наибольшей кинетической энергией.  Таким образом,  возникает переход кинетической и потенциальной энергии. В данном случае энергия переходит от одного места к другому.  Поскольку энергия нагревателя передается в виде какого-то  количества  теплоты,  повышая температуру  воздуха,  а  следовательно,  увеличивая  его кинетическую энергию.

Следовательно, нагреватель  нужно поместить в место где кинетическая энергия максимальна то есть на одну  четвертую  длины  резонатора, где создается область разрежения.

Но энергию следует подавать порциями,  иначе колебания прекратятся. При этом необходимо, чтобы подкачка энергии была согласована по частоте и  фазе  с собственными колебаниями системы. Для этого в автоколебательной системе необходима положительная обратная связь. В трубке Рикке в результате интерференции,  то есть сложения двух волн (в нашем случае противоположных),  образуется стоячая волна.  В трубке Рикке отраженная волна является  "регулировщиком"  подачи энергии,  осуществляя положительную обратную связь.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний воздуха.  А амплитуда в свою очередь зависит от энергии передаваемой воздуху,  то  есть от количества теплоты.  Это можно наблюдать на опыте, изменяя мощность нагревателя.

Длина волны равна длине резонатора,  то есть длине трубки. Следовательно,  изменяя длину резонатора (трубки),  мы будем  менять  длину волны, а значит и частоту колебаний.

Управлять частотой колебаний при постоянной длине резонатора можно, изменяя скорость звука, например путем изменения температуры воздуха. Если внутрь трубки бросить кусочек бумаги, воспламеняющейся от  нагревателя, то температура воздуха резко  меняется,  а  следовательно  становится другой и скорость звука в нем.  В этот момент тон звука также изменяется: трубка Рикке "завывает".

Столетия спустя после  опытов  Рикке  были  обнаружены  колебания электрического тока, возникающие в полупроводниковом кристалле арсенида галлия.  Этот процесс очень похож на эффект  Рикке.  Только  вместо частиц  воздуха группируются носители заряда (рис. 5).  Такой полупроводниковый прибор называется диодом Ганна.

Эти диоды широко применяются в качестве генераторов электрических колебаний в современной технике, например в спутниковых антеннах.

К сожалению, эффект Рикке не имеет такого широкого применения, но его нужно учитывать при разработке тепловых двигателей,  как  одну  из причин шума.