Das Glas hätte nicht kochen sollen. Aber es tat es.
Ein Team von Physikern zappte kleine Glaswürfel in einem Ofen mit einer elektrischen Spannung über das, was Sie von einer Steckdose in Ihrem Haus erhalten würden. Es war genug Strom, um das Glas aufzuheizen, das von der Umgebungswärme des Ofens schon ziemlich warm war. Aber es hätte nicht genug Strom sein sollen, um das Glas zu kochen. Glas kocht erst, wenn es Temperaturen erreicht, die Tausende von Grad über dem liegen, was der Strom hätte erzeugen sollen. Und doch sahen die Physiker in ihrem Ofen, als der Strom floss und ein elektrisches Feld erzeugte, einen dünnen "Dampfstoß" aus der Glasprobe aufsteigen.
Dazu hätte sich der elektrische Strom in einem Teil des Glases konzentrieren müssen und seine Energie ungleichmäßig abgeben müssen. Aber es gibt ein Problem: Das ist gegen das Gesetz.
Hier ist der Deal: Wenn ein elektrischer Strom durch ein einheitliches Material fließt, soll er das gesamte Material gleichmäßig erwärmen. Wissenschaftler nennen dieses Joule-Gesetz nach dem britischen Chemiker James Prescott Joule, der es Anfang der 1840er Jahre entdeckte. Es ist eine materielle Tatsache mit Wurzeln im Gesetz der Energieerhaltung, einer der grundlegendsten Regeln, die unser Universum regieren. Und wir sehen es jeden Tag bei der Arbeit; Glühbirnenfilamente würden ohne Joules Gesetz bei der Arbeit nicht schön leuchten.
Aber diese Strömung schien das Gesetz zu brechen. Aus einigen Teilen des Glases stieg nicht nur Dampf auf, sondern ein Hotspot (sichtbar auf einer Infrarotkamera) tanzte schwindlig über seine Oberfläche. In ihren Experimenten tauchten immer wieder Hotspots auf.
"Dieses Glas ist auf kleinster Ebene einheitlich", sagte Himanshu Jain, Materialwissenschaftler an der Lehigh University in Bethlehem, Pennsylvania, und Co-Autor eines Papiers, das das am 26. Februar in der Zeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlichte Phänomen beschreibt.
Glas ist ein Isolator und führt keinen guten Strom. Wie klein es auch sein mag, es wird erwartet, dass der größte Teil dieses Stroms in Wärme umgewandelt wird. Konventionelles Denken über Joules erstes Gesetz würde vorhersagen, dass ein elektrischer Strom das Glas gleichmäßig erwärmen würde, wodurch es langsam schmilzt und sich verformt, sagte Jain gegenüber Live Science. Und unter den meisten Umständen passiert genau das.
"Wir haben uns das Erweichen von heißem Glas unter einem elektrischen Feld angesehen", sagte Jain, "und das ist das, was noch niemand zuvor getan hat."
Es stellte sich heraus, dass diese ungleichmäßige Erwärmung eine Menge Energie in der Nähe der Anode in das Glas abgab, dem Eintrittspunkt für den Strom. Das Glas schmolz und verdampfte dort, obwohl es anderswo fest blieb. Die Temperaturen in den Hotspots waren viel heißer als im Rest des Glases. An einem Punkt erwärmte sich ein einzelner Bereich des Glases in weniger als 30 Sekunden um etwa 1.400 ° C.
War Joules Gesetz also gebrochen? Ja und nein, sagte Jain; makroskopisch denkend schien es so. Mikroskopisch gesehen wäre die Antwort "Nein" - sie galt einfach nicht mehr für das gesamte Glas.
Nach Joules erstem Gesetz sollte ein gleichmäßiges elektrisches Feld ein Material gleichmäßig erwärmen. Bei hohen Temperaturen erwärmt das elektrische Feld nicht nur das Glas, sondern verändert auch seine chemische Zusammensetzung.
Elektrische Felder bewegen sich durch Glas, wenn positiv geladene Ionen (Atome ohne negativ geladene Elektronen) aus ihrer Position gebracht werden und eine Ladung über das Glas tragen, sagte Jain. Die leichtesten Ionen bewegen sich zuerst und führen den elektrischen Strom.
Das Glas in diesem Aufbau bestand aus Sauerstoff, Natrium und Silizium. Natrium, das lose gebundene leichte Ion, übernahm den größten Teil des Energietransports. Sobald sich genügend Natrium verschoben hatte, veränderte sich die chemische Zusammensetzung des Glases in der Nähe der Anode. Und als sich die Chemie änderte, ähnelte das Glas eher zwei verschiedenen Materialien, und das Joule'sche Gesetz galt nicht mehr einheitlich. Es bildete sich ein Hotspot.
Niemand habe den Effekt zuvor bemerkt, sagte Jain, wahrscheinlich, weil er erst dann einsetzt, wenn das Glas schon ziemlich heiß ist. Das Material in diesem Experiment entwickelte keine Hotspots, bis der Ofen etwa 316 ° C erreichte. Das ist nicht sehr heiß für Glas, aber es ist viel heißer als die Bedingungen, unter denen die meisten elektrischen Maschinen mit Glas und Elektrizität arbeiten.
Im Moment haben Wissenschaftler jedoch herausgefunden, warum das Glas kochte, wenn es nicht hätte kochen sollen. Und das ist schon ziemlich aufregend.
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um anzuzeigen, dass das Joule'sche Gesetz aus einer Perspektive, aber nicht aus einer anderen, gebrochen wurde, und um die chemische Zusammensetzung des Glasaufbaus zu korrigieren.
