Klaas ei oleks tohtinud keeta. Aga sai hakkama.
Füüsikute meeskond pakkis elektripingega ahjus väikseid klaasikuubikuid selle kohta, mida saaksite oma kodu pistikupesast. Klaasi soojendamiseks oli piisavalt elektrit, mis oli juba ahju ümbritsevast kuumusest üsna soe. Kuid klaasi keetmiseks ei oleks tohtinud olla piisavalt voolu. Klaas ei keeda enne, kui see jõuab tuhandete kraadide temperatuurini kõrgemale, kui vool oleks pidanud toota. Ja veel, kui nende ahjus vool voolas ja elektrivälja lõi, nägid füüsikud klaasiproovist tõusvat õhukest "aurujääki".
Selleks peaks elektrivool olema koondunud klaasi ühte ossa, edastades selle energia ebaühtlaselt. Kuid seal on probleem: see on seadusega vastuolus.
Siin on asi: kui elektrivool läbib ühtlast materjali, peaks see soojendama kogu materjali ühtlaselt. Teadlased nimetavad seda Joule'i esimeseks seaduseks pärast Briti keemiku James Prescott Joule'i, kes avastas selle 1840. aastate alguses. See on oluline fakt, mille juured on energia säästmise seaduses, mis on üks kõige põhilisemaid reegleid, mis meie universumit valitseb. Ja me näeme seda iga päev tööl; lambipirni hõõgniitidel poleks oma kena, isegi hõõguvust ilma Joule'i seaduseta tööl.
Kuid see praegune näis seadust rikkuvat. Aur mitte ainult ei tõusnud klaaside mõnedest osadest, vaid ka kuumkoht (infrapunakaameral nähtav) tantsis näpuga kogu selle pinnal. Ikka ja jälle ilmusid nende katsetes levialad.
"See klaas on ühtlane kõige minutilisemal tasemel," ütles Himanshu Jain, Pennsylvania Petlemma Lehigh 'ülikooli materjaliteadlane ja nähtust kirjeldava raamatu kaasautor, mis avaldati 26. veebruaril ajakirjas Nature Scientific Reports.
Klaas on isolaator ja ei kanna voolu hästi; olgu see väike, peaks eeldatavasti suurema osa sellest voolust muutma soojuseks. Tavapärane Joule'i esimese seaduse mõtestamine ennustaks, et elektrivool soojendab klaasi ühtlaselt, põhjustades selle aeglast sulamist ja deformeerumist, rääkis Jain Live Science'ile. Ja enamikul juhtudel juhtub see täpselt nii.
"Vaatasime kuuma klaasi pehmenemist elektrivälja all," sõnas Jain, "ja see on asi, mida keegi polnud varem teinud."
Selgus, et ebaühtlane kuumutamine kulutas energiakoguseid klaasi anoodi lähedal, mis on voolu sisenemispunkt. Nii klaas sulas ja aurustus seal, isegi kui see mujal püsis tahkena. Temperatuurid levialades olid palju soojemad kui ülejäänud klaas. Ühel hetkel kuumutatakse klaasi ühte piirkonda vähem kui 30 sekundiga umbes 2500 F (1400 C).
Nii et Joule'i seadusi rikuti? Jah ja ei, ütles Jain; makroskoopiliselt mõeldes, tundus see nii. Mikroskoopiliselt öeldes oleks vastus eitav - see ei kehtinud enam klaasi suhtes tervikuna.
Joule'i esimese seaduse kohaselt peaks ühtlane elektriväli materjali ühtlaselt kuumutama. Kuid kõrgetel temperatuuridel ei soojenda elektriväli ainult klaasi - see muudab selle keemilise meigi.
Elektriväljad liiguvad läbi klaasi, kui positiivselt laetud ioonid (aatomid, millest on eemaldatud negatiivselt laetud elektronid) saavad kohast välja ja kannavad laengu üle klaasi, ütles Jain. Kõigepealt liiguvad kõige kergemad ioonid, kandes elektrivoolu.
Selle seadistuse klaas oli valmistatud hapnikust, naatriumist ja räni. Naatrium, lõdvalt seotud kerge ioon, tegi suurema osa energia transpordist. Kui piisavalt naatriumi oli nihkunud, muutis see anoodi lähedal oleva klaasi keemilist koostist. Ja kui keemia muutus, sarnanes klaas enam kui kahe erineva materjaliga ja Joule'i seadusi ei kohaldatud enam ühtlaselt. Moodustatud leviala.
Keegi polnud seda efekti varem märganud, väitis Jain, tõenäoliselt seetõttu, et see lööb sisse alles siis, kui klaas on juba päris kuum. Selle katse materjalil ei arenenud levialasid enne, kui ahi saavutas umbes 316 ° C. See pole klaasi jaoks eriti kuum, kuid on palju kuumem kui tingimused, mille korral töötab enamus klaasi ja elektrit kasutavaid elektrimasinaid.
Kuid nüüd on teadlased välja mõelnud, miks klaas kees, kui see ei tohtinud. Ja see on omaette põnev.
Toimetaja märkus: seda artiklit värskendati, et näidata, et Joule'i seadust on rikutud ühest, kuid mitte teisest vaatenurgast, samuti klaasi seadistuse keemilise meigi parandamiseks.
