Kozarec ne bi smel vreti. Vendar je šlo.
Ekipa fizikov je v električni peči z električno napetostjo zaprla majhne kocke stekla o tem, kaj boste dobili iz vtičnice v vašem domu. Dovolj je bilo elektrike za segrevanje kozarca, ki je bilo že precej toplo od zunanje toplote peči. Vendar ne bi smel biti dovolj tok, da bi lahko kozarec zavreli. Steklo ne vre, dokler ne doseže temperature na tisoče stopinj nad tisto, kar bi moral ustvariti tok. In vendar so fiziki v njihovi peči, ko je tok tekel in ustvaril električno polje, videli stekleni parček, ki se dviga iz vzorca stekla.
Da bi se to zgodilo, bi se električni tok moral koncentrirati v enem delu kozarca, ki bi svojo energijo oddajal neenakomerno. Vendar obstaja težava: to je proti zakonu.
Tukaj je dogovor: Ko električni tok prehaja skozi enakomeren material, naj bi celoten material enakomerno segreval. Znanstveniki imenujejo ta prvi zakon Joula, po britanskem kemiku Jamesu Prescottu Jouleju, ki ga je odkril v začetku 1840-ih. Gre za materialno dejstvo s koreninami v zakonu ohranjanja energije, ki je eno najbolj temeljnih pravil, ki urejajo naše vesolje. In to vidimo v službi vsak dan; žarnice z žarnicami ne bi imele svojega lepega, enakomernega sijaja brez Jouleovega zakona na delu.
A zdi se, da je ta tok kršil zakon. Ne samo, da se je iz nekaterih delov kozarca dvignila para, ampak je žarišče (vidno na infrardeči kameri) vrtoglavo plesalo po njeni površini. Znova in znova so se v njihovih poskusih pojavljale žarišča.
"Ta kozarec je na najbolj minutnem nivoju enoten," je Himanshu Jain, znanstvenik za materiale z univerze Lehigh v Betlehemu v Pensilvaniji in soavtor prispevka, ki opisuje pojav, objavljen 26. februarja v reviji Nature Scientific Reports.
Steklo je izolator in ne nosi dobro toka; ne glede na majhnost, pričakujemo, da bo večji del tega toka spremenil v toploto. Konvencionalno razmišljanje o prvem zakonu Joule bi predvidevalo, da bo električni tok steklo enakomerno segreval, zaradi česar se bo počasi talil in deformiral, je Jain povedal Live Science. In v večini okoliščin se zgodi ravno to.
"Ogledali smo si mehčanje vročega stekla pod električnim poljem," je rekel Jain, "in to je stvar, ki je še nihče ni storil."
Izkazalo se je, da je to neenakomerno segrevanje odlagalo veliko energije v bližini anode v kozarec, vstopno tok. Tako se je tam kozarec talil in izhlapeval, četudi je ostal drugje trden. Temperature v žariščih so bile precej bolj vroče kot ostali kozarec. V enem trenutku se en sam kozarec segreje za približno 2500 F (1.400 C) v manj kot 30 sekundah.
Je bil Jouleov zakon kršen? Da in ne, je rekel Jain; makroskopsko razmišljanje, se je zdelo tako. Mikroskopsko gledano bi bil odgovor "ne" - preprosto ne velja več za kozarec kot celoto.
Po prvem zakonu Joule mora enotno električno polje enakomerno segrevati material. Toda pri visokih temperaturah električno polje ne ogreva samo stekla - temveč spreminja kemično podobo.
Električna polja se premikajo skozi steklo, ko se pozitivno nabiti ioni (atomi, odvzeti negativno nabiti elektroni) izločijo iz svojega položaja in v steklu prenesejo naboj, je dejal Jain. Najprej se premikajo najlažji ioni, ki prenašajo električni tok.
Kozarec v tej namestitvi je bil izdelan iz kisika, natrija in silicija. Natrij, rahlo vezan lahki ion, je opravil večino energije. Ko se je dovolj natrija premaknilo, je spremenilo kemično sestavo kozarca v bližini anode. Ko se je kemija spremenila, je bilo kozarec bolj kot dva različna materiala in Jouleov zakon ni več veljal enotno. Nastalo je žarišče.
Jain še ni opazil učinka, je dejal Jain, najbrž zato, ker se ne zatakne, dokler kozarec ni že vroč. Material tega eksperimenta ni povzročil žarišč, dokler peč ni dosegla okoli 600 F (316 C). To ni zelo vroče za steklo, vendar je veliko bolj vroče od pogojev, v katerih deluje večina električnih strojev, ki uporabljajo steklo in elektriko.
Zaenkrat so znanstveniki ugotovili, zakaj kozarec vre, ko ne bi smel. In to precej razburljivo samo po sebi.
Opomba urednika: Ta članek je bil posodobljen, da bi nakazal, da je bil Joulejev zakon kršen z ene perspektive, ne pa tudi druge, pa tudi da bi popravil kemično podobo steklenih nastavkov.
