Paharul nu ar fi trebuit să fiarbă. Dar s-a întâmplat.
O echipă de fizicieni a azvârlit cuburi mici de sticlă într-un cuptor cu o tensiune electrică despre ceea ce veți obține de la o priză din casa dvs. A fost suficientă energie electrică pentru a încălzi paharul, care era deja destul de cald de la căldura ambientală a cuptorului. Dar nu ar fi trebuit să fie suficient de curent pentru a fierbe paharul. Sticla nu fierbe până când ajunge la temperaturi cu mii de grade peste ceea ce ar fi trebuit să producă curentul. Și totuși, în cuptorul lor, când curentul curgea și a creat un câmp electric, fizicienii au văzut un subțire de „vapori” care se ridica din proba de sticlă.
Pentru ca acest lucru să se întâmple, curentul electric ar fi trebuit să se concentreze într-o parte a paharului, furnizându-și energia inegal. Dar există o problemă: asta este împotriva legii.
Iată afacerea: când un curent electric trece printr-un material uniform, se presupune că încălzește uniform întregul material. Oamenii de știință numesc prima lege a lui Joule, după chimistul britanic James Prescott Joule, care a descoperit-o la începutul anilor 1840. Este un fapt material cu rădăcini în legea conservării energiei, una dintre cele mai fundamentale reguli care guvernează universul nostru. Și o vedem la serviciu în fiecare zi; filamentele cu becuri nu le-ar fi plăcut, nici măcar strălucirea fără legea lui Joule la serviciu.
Dar acest curent părea să încalce legea. Nu numai că vaporii s-au ridicat din unele părți ale sticlei, dar un hotspot (vizibil pe o cameră infraroșie) a dansat ușor pe suprafața sa. Din nou și din nou în experimentele lor, au apărut hotspoturi.
"Acest pahar este uniform la cel mai mic nivel", Himanshu Jain, un om de știință în materiale de la Universitatea Lehigh din Betleem, Pennsylvania și coautor al unei lucrări care descrie fenomenul publicat pe 26 februarie în revista Nature Scientific Reports.
Sticla este un izolator și nu poartă curent bine; oricât de mic este de așteptat să transforme cea mai mare parte a curentului în căldură. Gândirea convențională despre prima lege a lui Joule ar putea prezice că un curent electric va încălzi paharul în mod uniform, determinând-l să se topească și să se deformeze încet, a spus Jain pentru Live Science. Și în majoritatea circumstanțelor, exact asta se întâmplă.
"Ne-am uitat la înmuierea sticlei fierbinți sub un câmp electric", a spus Jain, "și asta este lucrul pe care nimeni nu îl făcuse până atunci".
S-a dovedit că această încălzire neuniformă arunca o mulțime de energie în apropierea anodului din sticlă, punctul de intrare pentru curent. Deci paharul s-a topit și s-a evaporat acolo, chiar dacă a rămas solid în altă parte. Temperaturile din hotspoturi erau mult mai calde decât restul paharului. La un moment dat, o singură regiune a paharului încălzită cu aproximativ 1.400 C (2.500 F) în mai puțin de 30 de secunde.
Deci legea lui Joule a fost încălcată? Da și nu, a spus Jain; gândind macroscopic, a apărut așa. Microscopic vorbind, răspunsul ar fi „nu” - pur și simplu nu se mai aplica la pahar în ansamblu.
În conformitate cu prima lege a lui Joule, un câmp electric uniform ar trebui să încălzească uniform un material. Dar la temperaturi ridicate, câmpul electric nu încălzește doar paharul - ci își schimbă machiajul chimic.
Câmpurile electrice se deplasează prin sticlă atunci când ionii încărcați pozitiv (atomi dezbrăcați de electroni încărcați negativ) sunt eliminați din poziție și duc o încărcare peste sticlă, a spus Jain. Cele mai ușoare ioni se mișcă mai întâi, transportând curentul electric.
Sticla din această configurație a fost fabricată din oxigen, sodiu și siliciu. Sodiul, ionul ușor legat cu o grosime ușoară, a făcut cea mai mare parte a transportului energetic. Odată schimbat suficient sodiu, a schimbat compoziția chimică a paharului de lângă anod. Și odată ce s-a schimbat chimia, sticla a fost mai degrabă ca două materiale diferite, iar legea lui Joule nu se mai aplica uniform. S-a format un hotspot.
Nimeni nu a observat efectul înainte, a spus Jain, probabil pentru că nu lovește până când paharul este deja destul de fierbinte. Materialul din acest experiment nu a dezvoltat hotspoturi până când cuptorul a atins aproximativ 600 F (316 C). Nu este foarte cald pentru sticlă, dar este mult mai cald decât condițiile în care funcționează majoritatea mașinilor electrice care folosesc sticla și electricitatea.
Deocamdată, însă, oamenii de știință și-au dat seama de ce fierbea paharul când nu trebuia. Și asta este destul de interesant de unul singur.
Nota editorului: Acest articol a fost actualizat pentru a indica faptul că legea lui Joule a fost încălcată dintr-o perspectivă, dar nu alta, precum și pentru a repara machiajul chimic al montării sticlei.
