Το ποτήρι δεν πρέπει να έχει βράσει. Αλλά το έκανε.
Μια ομάδα φυσικών έβαλε μικρούς κύβους από γυαλί σε φούρνο με ηλεκτρική τάση για το τι θα πάρετε από μια πρίζα στο σπίτι σας. Ήταν αρκετό ηλεκτρικό ρεύμα για να ζεσταθεί το γυαλί, το οποίο ήταν ήδη πολύ ζεστό από τη ζεστασιά του φούρνου. Αλλά δεν θα έπρεπε να ήταν αρκετά ρεύμα για να βράσει το ποτήρι. Το γυαλί δεν βράζει μέχρι να φτάσει θερμοκρασίες χιλιάδες βαθμούς πάνω από το τι θα έπρεπε να έχει το ρεύμα. Και όμως, στο φούρνο τους, όταν το ρεύμα έρεε και δημιούργησε ένα ηλεκτρικό πεδίο, οι φυσικοί είδαν ένα λεπτό "σκουλήκι ατμού" που ανέβαινε από το δείγμα γυαλιού.
Για να συμβεί αυτό, το ηλεκτρικό ρεύμα θα έπρεπε να συγκεντρωθεί σε ένα μέρος του γυαλιού, παρέχοντας την ενέργεια του άνισα. Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα: Αυτό είναι ενάντια στο νόμο.
Εδώ είναι η συμφωνία: Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα ομοιόμορφο υλικό, υποτίθεται ότι πρέπει να θερμάνει ολόκληρο το υλικό ομοιόμορφα. Οι επιστήμονες αποκαλούν τον πρώτο νόμο του Joule, μετά τον βρετανό χημικό James Prescott Joule, ο οποίος το ανακάλυψε στις αρχές της δεκαετίας του 1840. Είναι ένα σημαντικό γεγονός με ρίζες στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας, ένας από τους πιο θεμελιώδεις κανόνες που διέπουν το σύμπαν μας. Και το βλέπουμε καθημερινά. τα φώτα των λαμπτήρων δεν θα είχαν το ωραίο, ακόμη και λάμψη τους χωρίς νόμο του Joule στη δουλειά.
Αλλά αυτό το ρεύμα φαινόταν να παραβιάζει το νόμο. Όχι μόνο έφταναν υδρατμοί από κάποια μέρη του γυαλιού, αλλά ένα hotspot (ορατό σε μια υπέρυθρη κάμερα) χόρεψε γελοία πάνω στην επιφάνειά του. Πάλι και πάλι στα πειράματά τους, εμφανίστηκαν hotspots.
"Αυτό το ποτήρι είναι ομοιόμορφο στο πιο λεπτό επίπεδο", ο Himanshu Jain, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο Lehigh της Βηθλεέμ της Πενσυλβανίας και συν-συγγραφέας ενός εγγράφου που περιγράφει το φαινόμενο που δημοσιεύθηκε στις 26 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature Scientific Reports.
Το γυαλί είναι μονωτικό και δεν μεταφέρει καλά το ρεύμα. όσο μικρή, αναμένεται να μετατρέψει το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος σε θερμότητα. Η συμβατική σκέψη σχετικά με τον πρώτο νόμο της Joule θα πρόβλεπε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα θερμαίνει το γυαλί ομοιόμορφα, προκαλώντας το να λιώσει αργά και να παραμορφωθεί, δήλωσε ο Jain στη Live Science. Και υπό τις περισσότερες περιστάσεις, αυτό ακριβώς συμβαίνει.
«Εξετάσαμε το μαλάκωμα του καυτού γυαλιού κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο», είπε ο Jain, «και αυτό είναι το πράγμα που κανείς δεν είχε κάνει πριν».
Αυτή η ανομοιογενής θέρμανση, αποδείχθηκε, ήταν η απόρριψη φορτίων ενέργειας κοντά στην άνοδο στο γυαλί, το σημείο εισόδου για το ρεύμα. Έτσι, το τζάμι τήκεται και εξατμίζεται εκεί, ακόμα κι αν παρέμεινε σταθερό αλλού. Οι θερμοκρασίες στα θερμά σημεία ήταν πολύ πιο θερμό από το υπόλοιπο γυαλί. Σε ένα σημείο, μία μόνο περιοχή του γυαλιού θερμαίνεται κατά περίπου 2.500 F (1.400 C) σε λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα.
Και ο νόμος του Joule ήταν σπασμένος; Ναι και όχι, είπε ο Jain. μακροσκεπώδη σκέψη, φαινόταν έτσι. Μικροσκοπικά, η απάντηση θα ήταν "όχι" - απλώς δεν ισχύει για το γυαλί στο σύνολό του πια.
Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της Joule, ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο θα πρέπει να θερμαίνει ένα υλικό ομοιόμορφα. Αλλά σε υψηλές θερμοκρασίες, το ηλεκτρικό πεδίο δεν θερμαίνει μόνο το γυαλί - αλλάζει το χημικό του μακιγιάζ.
Τα ηλεκτρικά πεδία μετακινούνται μέσα από το γυαλί, όταν τα θετικά φορτισμένα ιόντα (άτομα που έχουν απομακρυνθεί από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια) χτυπούν έξω από τη θέση τους και φέρουν φορτίο στο γυαλί, δήλωσε ο Τζέιν. Τα πιο ελαφρά ιόντα κινούνται πρώτα, μεταφέροντας το ηλεκτρικό ρεύμα.
Το γυαλί σε αυτή τη διάταξη κατασκευάστηκε από οξυγόνο, νάτριο και πυρίτιο. Το νάτριο, το χαλαρά συνδεδεμένο ελαφρύ ιόν, έκανε το μεγαλύτερο μέρος της μεταφοράς ενέργειας. Μόλις μεταφέρθηκε αρκετό νάτριο, άλλαξε τη χημική σύνθεση του γυαλιού κοντά στην άνοδο. Και μόλις άλλαξε η χημεία, το γυαλί ήταν περισσότερο σαν δύο διαφορετικά υλικά και ο νόμος του Joule δεν εφαρμόζεται πλέον ομοιόμορφα. Δημιουργήθηκε ένα hotspot.
Κανείς δεν είχε παρατηρήσει το φαινόμενο πριν, είπε ο Τζέιν, πιθανότατα επειδή δεν κλωτσάει μέχρι το τζάμι να είναι ήδη πολύ ζεστό. Το υλικό σε αυτό το πείραμα δεν ανέπτυξε καυτά σημεία έως ότου ο κλίβανος φθάσει τα 600 F (316 C). Αυτό δεν είναι πολύ ζεστό για το γυαλί, αλλά είναι πολύ θερμότερο από τις συνθήκες κάτω από τις οποίες οι περισσότερες ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιούν γυαλί και ηλεκτρισμό δουλεύουν.
Προς το παρόν, όμως, οι επιστήμονες έχουν καταλάβει γιατί το γυαλί βράζει όταν δεν θα έπρεπε. Και αυτό είναι αρκετά συναρπαστικό από μόνο του.
Σημείωση του συντάκτη: Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε για να υποδείξει ότι ο νόμος του Joule ήταν σπασμένος από μια οπτική αλλά όχι άλλος, καθώς και να καθορίσει το χημικό μακιγιάζ της εγκατάστασης γυαλιού.