Szkło nie powinno się zagotować. Ale tak się stało.
Zespół fizyków zastrzelił małe kostki szkła w piecu napięciem elektrycznym na temat tego, co można uzyskać z gniazdka w domu. Wystarczała energia elektryczna do podgrzania szkła, które było już dość ciepłe z ciepła otoczenia pieca. Ale nie powinno to wystarczyć do zagotowania szkła. Szkło nie gotuje się, dopóki nie osiągnie temperatury tysiące stopni powyżej tego, co powinien był wytworzyć prąd. A jednak w piekarniku, gdy prąd przepłynął i wytworzył pole elektryczne, fizycy zauważyli cienki „opar pary” wznoszący się ze szklanej próbki.
Aby tak się stało, prąd elektryczny musiałby skoncentrować się w jednej części szkła, dostarczając nierównomiernie energię. Ale jest problem: to niezgodne z prawem.
Oto oferta: kiedy prąd elektryczny przepływa przez jednolity materiał, powinien równomiernie ogrzewać cały materiał. Naukowcy nazywają to pierwsze prawo Joule, po brytyjskim chemiku Jamesie Prescott Joule, który odkrył go na początku lat 40. XIX wieku. Jest to fakt materialny oparty na prawie zachowania energii, jednej z najbardziej podstawowych zasad rządzących naszym wszechświatem. I widzimy to w pracy każdego dnia; żarniki żarówki nie miałyby ładnego, nawet świecącego światła, gdyby nie działało prawo Joule'a.
Ale ten prąd zdawał się łamać prawo. Para nie tylko unosiła się z niektórych części szkła, ale gorący punkt (widoczny na kamerze na podczerwień) tańczył zawadiacko na jego powierzchni. Raz po raz w swoich eksperymentach pojawiały się punkty aktywne.
„Szkło jest jednolite w najmniejszym stopniu”, Himanshu Jain, naukowiec z Lehigh University w Betlejem w Pensylwanii, współautor artykułu opisującego to zjawisko, opublikowanego 26 lutego w czasopiśmie Nature Scientific Reports.
Szkło jest izolatorem i nie przenosi dobrze prądu; jakkolwiek małe, oczekuje się, że zamieni większość tego prądu w ciepło. Konwencjonalne myślenie o pierwszym prawie Joule'a przewidywałoby, że prąd elektryczny będzie równomiernie podgrzewał szkło, powodując jego powolne topienie i deformowanie, powiedział Jain dla Live Science. I w większości przypadków tak właśnie się dzieje.
„Przyjrzeliśmy się zmiękczeniu gorącego szkła pod polem elektrycznym - powiedział Jain - i tego właśnie nikt wcześniej nie zrobił”.
Okazało się, że to nierównomierne nagrzewanie zrzuca ładunki energii w pobliżu anody w szkle, która jest punktem wejściowym prądu. Więc szkło topiło się i parowało, nawet gdy pozostało stałe gdzie indziej. Temperatury w punktach aktywnych były znacznie gorętsze niż w pozostałej części szkła. W pewnym momencie pojedynczy obszar szkła ogrzano o około 2500 F (1400 C) w mniej niż 30 sekund.
Czy więc złamano prawo Joule? Tak i nie, powiedział Jain; myślenie makroskopowe, tak się wydawało. Mówiąc mikroskopowo, odpowiedź brzmiałaby „nie” - po prostu nie dotyczyła już szkła jako całości.
Zgodnie z pierwszym prawem Joule'a jednolite pole elektryczne powinno równomiernie nagrzewać materiał. Ale w wysokich temperaturach pole elektryczne nie tylko ogrzewa szkło - zmienia jego skład chemiczny.
Jain powiedział, że pola elektryczne poruszają się przez szkło, gdy jony dodatnio naładowane (atomy pozbawione ujemnie naładowanych elektronów) zostają unieruchomione i przenoszą ładunek na szybę. Najlżejsze jony poruszają się jako pierwsze, przenosząc prąd elektryczny.
Szkło w tym układzie zostało wykonane z tlenu, sodu i krzemu. Sód, luźno związany jon lekki, zajmował większość transportu energii. Gdy wystarczająca ilość sodu uległa przesunięciu, zmieniła skład chemiczny szkła w pobliżu anody. A kiedy chemia się zmieniła, szkło bardziej przypominało dwa różne materiały, a prawo Joule'a nie było już jednolicie stosowane. Utworzono punkt aktywny.
Jain powiedział, że nikt wcześniej tego nie zauważył, prawdopodobnie dlatego, że nie uruchamia się, dopóki szklanka nie będzie już dość gorąca. Materiał w tym eksperymencie nie rozwinął punktów zapalnych, dopóki piec nie osiągnął temperatury około 600 F (316 ° C). Nie jest to zbyt gorące dla szkła, ale jest znacznie gorętsze niż warunki, w których działa większość maszyn elektrycznych wykorzystujących szkło i elektryczność.
Na razie jednak naukowcy odkryli, dlaczego szkło gotuje się, kiedy nie powinno. To samo w sobie jest ekscytujące.
Notka redaktora: Ten artykuł został zaktualizowany, aby wskazać, że prawo Joule'a zostało złamane z jednej perspektywy, ale nie z drugiej, a także aby naprawić skład chemiczny zestawu szkła.
