Стакан не должен был кипеть. Но это так.
Команда физиков закипала маленькие кубики стекла в печи с электрическим напряжением, примерно равным тому, что вы получите от розетки в вашем доме. Этого было достаточно электричества, чтобы нагреть стекло, которое уже было достаточно теплым от тепла печи. Но это не должно было быть достаточно тока, чтобы кипятить стекло. Стекло не кипит, пока не достигнет температуры на тысячи градусов выше того, что должно было произойти с помощью тока. И все же в их духовке, когда ток протекал и создавал электрическое поле, физики увидели тонкий «пучок пара», поднимающийся из стеклянного образца.
Чтобы это произошло, электрический ток должен был бы сконцентрироваться в одной части стекла, доставляя его энергию неравномерно. Но есть проблема: это противозаконно.
Вот сделка: когда электрический ток проходит через однородный материал, он должен равномерно нагревать весь материал. Ученые называют этот закон Джоуля первым в честь британского химика Джеймса Прескотта Джоуля, который открыл его в начале 1840-х годов. Это материальный факт с корнями в законе сохранения энергии, одном из самых фундаментальных правил, управляющих нашей вселенной. И мы видим это на работе каждый день; Лампочки накаливания не имели бы своей прелести, даже светились бы без закона Джоуля на работе.
Но это течение, казалось, нарушало закон. Мало того, что пар поднимался из некоторых частей стекла, но и горячая точка (видимая на инфракрасной камере) танцевала по всей его поверхности. Снова и снова в их экспериментах появлялись горячие точки.
«Этот стакан однороден на самом маленьком уровне», - говорит Химаншу Джайн, специалист по материалам из Университета Лихай в Вифлееме, штат Пенсильвания, и соавтор статьи, описывающей явление, опубликованной 26 февраля в журнале Nature Scientific Reports.
Стекло является изолятором и плохо проводит ток; как бы мало это ни было, ожидается, что большая часть этого тока превратится в тепло. Традиционные размышления о первом законе Джоуля предсказывают, что электрический ток будет равномерно нагревать стекло, вызывая его медленное плавление и деформацию, сказал Джейн Live Science. И в большинстве случаев именно так и происходит.
«Мы смотрели на смягчение горячего стекла под электрическим полем, - сказал Джейн, - и это то, чего никто раньше не делал».
Оказалось, что это неравномерное нагревание сбрасывало большое количество энергии возле анода в стекле, являющегося точкой входа для тока. Таким образом, стекло таяло и испарялось там, даже когда оно оставалось твердым в другом месте. Температура в горячих точках была намного выше, чем у остального стекла. В какой-то момент одну область стекла нагревают примерно на 2500 F (1400 C) менее чем за 30 секунд.
Так был ли нарушен закон Джоуля? Да и нет, сказал Джайн; Макроскопически думая, это так и оказалось. С точки зрения микроскопии, ответом будет «нет» - он просто больше не относится к стеклу в целом.
Согласно первому закону Джоуля, однородное электрическое поле должно равномерно нагревать материал. Но при высоких температурах электрическое поле не только нагревает стекло - оно меняет свой химический состав.
По словам Джейна, электрические поля движутся сквозь стекло, когда положительно заряженные ионы (атомы, лишенные отрицательно заряженных электронов) выбиваются из положения и переносят заряд через стекло. Самые легкие ионы движутся первыми, пропуская электрический ток.
Стекло в этой установке было сделано из кислорода, натрия и кремния. Натрий, слабо связанный легкий ион, выполнял большую часть переноса энергии. Как только натрий сдвинулся достаточно, он изменил химический состав стекла возле анода. И как только химия изменилась, стекло больше походило на два разных материала, и закон Джоуля больше не применялся единообразно. Горячая точка сформировалась.
Никто раньше не замечал этого эффекта, сказал Джейн, вероятно потому, что он не срабатывает, пока стакан не станет достаточно горячим. Материал в этом эксперименте не развивал горячие точки, пока печь не достигла приблизительно 600 F (316 C). Для стекла не очень жарко, но гораздо жарче, чем в условиях, когда большинство электрических машин используют стекло и электричество.
На данный момент, однако, ученые выяснили, почему стекло кипит, когда оно не должно было. И это довольно захватывающе само по себе.
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы указать, что закон Джоуля был нарушен с одной точки зрения, но не с другой, а также чтобы исправить химический состав установки стекла.
