Чашата не трябваше да кипва. Но се получи.
Екип от физици затвори малки кубчета стъкло в пещ с електрическо напрежение за това, което бихте получили от контакта в дома си. Беше достатъчно електричество, за да загрее стъклото, което вече беше доста топло от околната топлина на пещта. Но не би трябвало да е достатъчно ток, за да заври чашата. Стъклото не се вари, докато не достигне температури хиляди градуса над това, което би трябвало да произведе токът. И въпреки това, във фурната им, когато токът течеше и създаваше електрическо поле, физиците видяха тънък „врат от пари“, издигащ се от пробата на стъклото.
За да се случи това, електрическият ток би трябвало да се концентрира в едната част на чашата, доставяйки енергията си неравномерно. Но има проблем: Това е против закона.
Ето и сделката: Когато електрически ток преминава през равномерен материал, трябва да загрява целия материал равномерно. Учените наричат този първи закон на Джоул, след британския химик Джеймс Прескот Джоул, който го откри в началото на 1840-те. Това е материален факт с корени в закона за запазване на енергията, едно от най-основните правила, които управляват нашата Вселена. И ние го виждаме на работа всеки ден; нишките на крушките не биха имали своето хубаво, равномерно сияние без закона на Джоул по време на работа.
Но този ток сякаш нарушава закона. Парата не само се издигаше от някои части на чашата, но гореща точка (видима на инфрачервена камера) танцуваше плахо по цялата й повърхност. Отново и отново в техните експерименти се появяват горещи точки.
„Тази чаша е еднородна на най-минутното ниво“, Химаншу Джаин, учен по материали в университета Лехи в Витлеем, Пенсилвания, и съавтор на книга, описваща явлението, публикувано на 26 февруари в списанието Nature Scientific Reports.
Стъклото е изолатор и не носи ток добре; колкото и да е малка, очаква се да превърне по-голямата част от този ток в топлина. Конвенционалното мислене за първия закон на Джоул би предсказало, че електрически ток ще нагрее равномерно стъклото, причинявайки му бавно топене и деформация, заяви Джейн пред Live Science. И при повечето обстоятелства точно това се случва.
"Разгледахме омекотяването на горещо стъкло под електрическо поле", каза Джаин, "и това е нещото, което никой не беше правил преди."
Оказа се, че това неравномерно загряване изхвърля много енергия в близост до анода в чашата, входната точка за тока. Така стъклото се стопяваше и се изпаряваше, дори докато остана твърдо на друго място. Температурите в горещите точки бяха много по-горещи от останалата част от чашата. В един момент един участък от чашата се нагрява с около 1400 С (1400 С) за по-малко от 30 секунди.
Така нарушен ли беше законът на Джоул? Да и не, каза Джейн; макроскопично мислене, изглежда така. Микроскопски казано, отговорът би бил „не“ - просто не важи за чашата като цяло.
Съгласно първия закон на Джоул, еднакво електрическо поле трябва да нагрева материал равномерно. Но при високи температури електрическото поле не загрява само стъклото - то променя химическия си състав.
Електрическите полета се движат през стъклото, когато положително заредените йони (атоми, лишени от отрицателно заредени електрони) се извадят от положението си и носят заряд през стъклото, заяви Джейн. Най-леките йони се движат първо, носейки електрическия ток.
Стъклото в тази инсталация е направено от кислород, натрий и силиций. Натрият, слабо свързаният лек йон, извърши по-голямата част от енергийния транспорт. След като достатъчно натрий се измести, той промени химическия състав на чашата в близост до анода. И след като химията се промени, чашата приличаше повече на два различни материала и законът на Джоул вече не се прилага еднакво. Оформи се гореща точка.
Никой не беше забелязал ефекта преди това, каза Джайн, вероятно защото не стартира, докато чашата вече е доста гореща. Материалът в този експеримент не е развил горещи точки, докато пещта е достигнала около 600 F (316 C). Това не е много горещо за стъклото, но е много по-горещо от условията, при които работят повечето електрически машини, използващи стъкло и електричество.
Засега обаче учените разбраха защо чашата кипи, когато не трябваше. И това е доста вълнуващо само по себе си.
Забележка на редактора: Тази статия е актуализирана, за да покаже, че законът на Джоул е нарушен от една перспектива, но не и от друга, както и за да коригира химическия състав на стъклата.
