Glasset skal ikke ha kokt. Men det gjorde det.
Et team av fysikere zappet små terninger av glass i en ovn med en elektrisk spenning om hva du ville fått fra et uttak i hjemmet ditt. Det var nok strøm til å varme opp glasset, som allerede var ganske varmt fra ovnens omgivende varme. Men det burde ikke vært nok strøm til å koke glasset. Glass koker ikke før det når temperaturer tusenvis av grader over hva strømmen skal ha produsert. Og likevel, i ovnen deres, da strømmen strømmet og skapte et elektrisk felt, så fysikerne en tynn "wisp of damp" stige opp fra glassprøven.
For at det skulle skje, ville den elektriske strømmen måttet konsentrere seg i den ene delen av glasset og levere energien sin ujevnt. Men det er et problem: Det er mot loven.
Her er avtalen: Når en elektrisk strøm går gjennom et ensartet materiale, skal det varme opp hele materialet jevnt. Forskere kaller Joules første lov, etter den britiske kjemikeren James Prescott Joule, som oppdaget den på begynnelsen av 1840-tallet. Det er et vesentlig faktum med røtter i loven om bevaring av energi, en av de mest grunnleggende reglene som styrer universet vårt. Og vi ser det på jobb hver dag; glødepærer på lyspærene ville ikke ha den fine, til og med gløden uten Joules lov på jobb.
Men denne strømmen så ut til å bryte loven. Ikke bare steg damp opp fra noen deler av glasset, men en hotspot (synlig på et infrarødt kamera) danset svimmel over overflaten. Igjen og igjen i eksperimentene sine dukket det opp hotspots.
Himanshu Jain, materialforsker ved Lehigh University i Bethlehem, Pennsylvania, og medforfatter av en artikkel som beskriver fenomenet publisert 26. februar i tidsskriftet Nature Scientific Reports.
Glass er en isolator og fører ikke strøm. hvor liten den er, forventes det å gjøre mest av strømmen til varme. Konvensjonell tenking om Joules første lov ville forutsi at en elektrisk strøm ville varme opp glasset jevnt, noe som fikk det til å smelte og deformeres sakte, sa Jain til Live Science. Og under de fleste omstendigheter er det akkurat det som skjer.
"Vi så på mykgjøring av varmt glass under et elektrisk felt," sa Jain, "og det er det som ingen hadde gjort før."
Det viste seg at den ujevn oppvarmingen dumpet masse energi nær anoden i glasset, inngangspunktet for strømmen. Så glasset smeltet og fordampet der, selv om det holdt seg solid et annet sted. Temperaturene i hotspotene var mye varmere enn resten av glasset. På et tidspunkt ble et enkelt område av glasset oppvarmet med ca. 2400 C på mindre enn 30 sekunder.
Så ble Joules lov brutt? Ja og nei, sa Jain; makroskopisk tenking, det virket slik. Mikroskopisk sett ville svaret være "nei" - det gjaldt bare ikke glasset som helhet lenger.
I henhold til Joules første lov skal et enhetlig elektrisk felt varme et materiale jevnt. Men ved høye temperaturer varmer det elektriske feltet ikke bare glasset - det endrer dets kjemiske sminke.
Elektriske felt beveger seg gjennom glass når positivt ladede ioner (atomer strippet for negativt ladede elektroner) blir slått ut av sin stilling og fører en ladning over glasset, sa Jain. De letteste ionene beveger seg først og fører den elektriske strømmen.
Glasset i dette oppsettet var laget av oksygen, natrium og silisium. Sodium, det løst bundne lette ionet, utførte det meste av energitransporten. Når nok natrium skiftet, endret det den kjemiske sammensetningen av glasset nær anoden. Og når kjemien endret seg, var glasset mer som to forskjellige materialer, og Joules lov gjaldt ikke lenger ensartet. Det ble dannet en hotspot.
Ingen hadde lagt merke til effekten før, sa Jain, sannsynligvis fordi den ikke sparker inn før glasset allerede er ganske varmt. Materialet i dette eksperimentet utviklet ikke hotspots før ovnen nådde cirka 316 C. Det er ikke veldig varmt for glass, men det er mye varmere enn forholdene under hvilke de fleste elektriske maskiner som bruker glass og elektrisitet fungerer.
For nå har forskere funnet ut hvorfor glasset kokte når det ikke skulle ha det. Og det er ganske spennende på egen hånd.
Redaktørens merknad: Denne artikkelen ble oppdatert for å indikere at Joules lov ble brutt fra ett perspektiv, men ikke et annet, samt for å fikse den kjemiske sammensetningen av glassoppsettet.
