Glasset skulle ikke have kogt. Men det gjorde det.
Et team af fysikere zappede små terninger af glas i en ovn med en elektrisk spænding om, hvad du ville få fra en stikkontakt i dit hjem. Det var tilstrækkelig med elektricitet til at varme op glasset, som allerede var ret varmt fra ovnens omgivende varme. Men det burde ikke have været nok strøm til at koge glasset. Glas koges ikke, før det når temperaturer tusinder af grader over, hvad strømmen skulle have produceret. Og alligevel, i deres ovn, da strømmen flydede og skabte et elektrisk felt, så fysikerne et tyndt "wisp of damp" stige fra glasprøven.
For at det skulle ske, ville den elektriske strøm have været nødt til at koncentrere sig i den ene del af glasset og levere sin energi ujævnt. Men der er et problem: Det er imod loven.
Her er handlen: Når en elektrisk strøm passerer gennem et ensartet materiale, skal det varme hele materialet jævnt. Forskere kalder Joule's første lov efter den britiske kemiker James Prescott Joule, der opdagede den i de tidlige 1840'ere. Det er en materiel kendsgerning med rødder i loven om bevarelse af energi, en af de mest grundlæggende regler, der styrer vores univers. Og vi ser det på arbejde hver dag; glødepærer ikke ville have deres dejlige, selv glød uden Joule's lov på arbejde.
Men denne strøm syntes at bryde loven. Ikke kun steg damp fra nogle dele af glasset, men et hotspot (synligt på et infrarødt kamera) dansede svøgt over dens overflade. I deres eksperimenter blev der igen og igen vist hotspots.
"Dette glas er ensartet på det mindste niveau," siger Himanshu Jain, en materialevidenskabsmand ved Lehigh University i Bethlehem, Pennsylvania, og medforfatter til et papir, der beskriver fænomenet, der blev offentliggjort 26. februar i tidsskriftet Nature Scientific Reports.
Glas er en isolator og bærer ikke strøm; uanset hvor små, forventes det at omdanne det meste af denne strøm til varme. Konventionel tænkning om Joules første lov ville forudsige, at en elektrisk strøm ville opvarme glasset jævnt og få det langsomt til at smelte og deformere, fortalte Jain til Live Science. Og under de fleste omstændigheder er det nøjagtigt, hvad der sker.
"Vi kiggede på blødgøring af varmt glas under et elektrisk felt," sagde Jain, "og det er det, som ingen havde gjort før."
Den uensartede opvarmning, viste det sig, dumpede belastninger med energi nær anoden i glasset, indgangspunktet for strømmen. Så glasset smeltede og fordampede der, selvom det forblev solidt andetsteds. Temperaturerne i hotspots var meget varmere end resten af glasset. På et tidspunkt opvarmes et enkelt område af glasset med ca. 2500 F (1400 C) på mindre end 30 sekunder.
Så blev Joule's lov brudt? Ja og nej, sagde Jain; makroskopisk tænkning, det syntes så. Mikroskopisk set ville svaret være "nej" - det gælder bare ikke glasset som helhed længere.
I henhold til Joules første lov skal et ensartet elektrisk felt opvarme et materiale jævnt. Men ved høje temperaturer opvarmer det elektriske felt ikke kun glasset - det ændrer dets kemiske makeup.
Elektriske felter bevæger sig gennem glas, når positivt ladede ioner (atomer, der er fjernet af negativt ladede elektroner) bliver slået ud af sin position og bærer en ladning hen over glasset, sagde Jain. De letteste ioner bevæger sig først og bærer den elektriske strøm.
Glasset i denne opsætning var lavet af ilt, natrium og silicium. Natrium, den løstbundne lette ion, udførte det meste af energitransporten. Når nok natrium skiftede, ændrede det den kemiske sammensætning af glasset nær anoden. Og når kemien ændrede sig, var glasset mere som to forskellige materialer, og Joules lov blev ikke længere ensartet. Der blev dannet et hotspot.
Ingen havde bemærket effekten før, sagde Jain, sandsynligvis fordi den ikke sparker ind, før glasset allerede er temmelig varmt. Materialet i dette eksperiment udviklede ikke hotspots, før ovnen nåede ca. 600 F (316 C). Det er ikke særlig varmt for glas, men det er meget varmere end de forhold, under hvilke de fleste elektriske maskiner, der bruger glas og elektricitet, fungerer.
På nuværende tidspunkt har forskere fundet ud af, hvorfor glasset kogte, når det ikke skulle have det. Og det er ret spændende på egen hånd.
Redaktørens note: Denne artikel blev opdateret for at indikere, at Joules lov blev brudt fra et perspektiv, men ikke et andet, samt for at løse den kemiske sammensætning af glasindstillingen.
