Скло не повинно закипати. Але це було.
Команда фізиків закрила маленькі кубики скла в топку електричною напругою про те, що ви отримаєте з розетки у вашому будинку. Для нагрівання скла було достатньо електрики, яка вже була досить теплою від навколишнього тепла печі. Але це не повинно було бути достатньо струмом, щоб кип'ятити склянку. Скло не кипить до тих пір, поки воно не досягне температур на тисячі градусів вище того, що повинен був виробляти струм. І все ж, у їхній печі, коли текла струм і створювалося електричне поле, фізики побачили тонкий «пучок пари», що піднімався зі зразка скла.
Щоб це сталося, електричний струм повинен був би сконцентруватися в одній частині скла, подаючи свою енергію нерівномірно. Але є проблема: це проти закону.
Ось справа: Коли електричний струм проходить через рівномірний матеріал, він повинен нагрівати весь матеріал рівномірно. Вчені називають цей закон Джоулем першим законом після британського хіміка Джеймса Прескотта Джоула, який відкрив його на початку 1840-х років. Це матеріальний факт, що має коріння в законі збереження енергії, одне з найбільш фундаментальних правил, яке регулює наш Всесвіт. І ми це бачимо на роботі кожен день; лампочки лампочки не мали б свого приємного, рівного світіння без закону Джоуля на роботі.
Але ця течія, здавалося, порушила закон. З деяких частин скла не тільки піднімався пар, але гаряча точка (видно на інфрачервоній камері) несміливо танцювала по її поверхні. Знову і знову в їх експериментах з’являлися гарячі точки.
"Ця склянка є рівномірною на найбільш хвилинному рівні", Хіманшу Джайн, науковець з матеріалів з університету Легі в Віфлеємі, штат Пенсильванія, та співавтор статті, що описує це явище, опублікованого 26 лютого в журналі Nature Scientific Reports.
Скло є ізолятором і не переносить струм добре; як би мало було, очікується, що перетворить більшу частину цього струму в тепло. Звичайні роздуми про перший закон Джоуля передбачали б, що електричний струм нагріває скло рівномірно, змушуючи його повільно плавитися і деформуватися, сказав Джайн Live Science. І за більшості обставин саме так і відбувається.
"Ми дивилися на розм’якшення гарячого скла під електричним полем, - сказав Джайн, - і це те, чого раніше ніхто не робив".
Це нерівномірне нагрівання, виявилося, скидало енергію біля анода в скло, точку входу струму. Тож скло там плавилося і випаровувалося, навіть коли воно залишалося твердим в іншому місці. Температури в гарячих точках були набагато гарячішими, ніж у решті склянки. В один момент одна область склянки нагрілася приблизно до 2500 F (1400 C) менше ніж за 30 секунд.
Так був порушений закон Джоула? Так і ні, - сказав Джайн; макроскопічно думаючи, виявилося так. Мікроскопічно кажучи, відповідь була б «ні» - вона просто не стосувалася чарки в цілому.
Відповідно до першого закону Джоула, рівномірне електричне поле повинно нагрівати матеріал рівномірно. Але при високій температурі електричне поле не тільки нагріває скло - воно змінює його хімічний склад.
Електричні поля рухаються через скло, коли позитивно заряджені іони (атоми, позбавлені негативно заряджених електронів) вибиваються з місця і несуть заряд через скло, сказав Джайн. Найлегші іони рухаються першими, несучи електричний струм.
Скло в цій установці було виготовлено з кисню, натрію та кремнію. Натрій, легко пов'язаний легкий іон, здійснював більшу частину транспорту енергії. Як тільки натрій змістився, він змінив хімічний склад скла біля анода. І як тільки хімія змінилася, скло більше нагадувало два різні матеріали, і закон Джоула вже не застосовувався рівномірно. Утворилася гаряча точка.
Ніхто раніше не помічав ефекту, сказав Джайн, ймовірно, тому, що він не забивається, поки келих вже досить гарячий. Матеріал у цьому експерименті не розвинув гарячі точки до тих пір, поки піч не досягла 316 ° С приблизно 600 F. Це не дуже спекотно для скла, але воно набагато спекотніше, ніж умови, в яких працює більшість електричних машин, що використовують скло та електрику.
Поки що вчені з’ясували, чому стакан кипить, коли його не повинно було. І це досить цікаво саме по собі.
Примітка редактора: Ця стаття була оновлена, щоб вказати на те, що закон Джоула порушено з одного погляду, але не з іншого, а також для виправлення хімічного складу скла.
