Čaša nije trebala kuhati. Ali uspjelo je.
Tim fizičara zakucao je male kockice čaše u peć s električnim naponom o tome što ćete dobiti iz utičnice u vašem domu. Bilo je dovoljno električne energije za zagrijavanje čaše, koja je već bila prilično topla od ambijentalne topline peći. Ali ne bi trebala biti dovoljna struja da se čaša prokuha. Staklo se ne kuha dok ne dosegne temperaturu tisuću stupnjeva iznad onoga što bi struja trebala proizvesti. Pa ipak, u njihovoj pećnici, kada je struja tekla i stvorila električno polje, fizičari su vidjeli tanak "šparac pare" kako se uzdiže iz uzorka stakla.
Da bi se to dogodilo, električna bi se struja morala koncentrirati u jednom dijelu čaše, isporučujući energiju neravnomjerno. Ali postoji problem: To je protiv zakona.
Evo posla: Kada električna struja prođe kroz jednolik materijal, trebala bi ravnomjerno zagrijavati cijeli materijal. Znanstvenici ovaj Joule nazivaju prvim zakonom, po britanskom kemičaru Jamesu Prescottu Jouleu, koji ga je otkrio početkom 1840-ih. To je materijalna činjenica s korijenima u zakonu očuvanja energije, jedno od najosnovnijih pravila koja upravljaju našim svemirom. I viđamo ga na poslu svaki dan; Žarulje sa žaruljama ne bi imale svoj lijepi, ravnomjerni sjaj bez Jouleova zakona na djelu.
No činilo se da ova struja krši zakon. Ne samo da se iz nekih dijelova čaše dizala para, nego je vruća točka (vidljiva na infracrvenoj kameri) žustro plesala po njenoj površini. Opet i opet u njihovim se eksperimentima pojavile vruće točke.
"Ova je čaša jednolična na najmalobrojnijoj razini", Himanshu Jain, znanstvenik o materijalima sa Sveučilišta Lehigh u Betlehemu u Pensilvaniji i koautor članka koji opisuje fenomen objavljen 26. veljače u časopisu Nature Scientific Reports.
Staklo je izolator i ne nosi struju dobro; koliko god bila mala, očekuje se da će većinu te struje pretvoriti u toplinu. Konvencionalno razmišljanje o prvom zakonu Joulea predviđalo bi da električna struja čašu ravnomjerno zagrijava, uzrokujući da se ona sporo topi i deformira, rekao je Jain za Live Science. I u većini okolnosti upravo se to događa.
"Gledali smo omekšavanje vrućeg stakla pod električnim poljem," rekao je Jain, "i to je stvar koju prije nitko nije učinio."
Ispostavilo se da je to neujednačeno grijanje bacilo puno energije u blizini anode u čašu, ulazna točka struje. Tako se staklo tamo rastopilo i isparilo, čak i dok je drugdje ostalo čvrsto. Temperature u žarištu bile su mnogo vruće od ostatka čaše. U jednom trenutku, jedno područje čaše zagrijalo se za oko 1400 F (1.400 C) za manje od 30 sekundi.
Je li Jouleov zakon prekršen? Da i ne, rekao je Jain; makroskopski misleći, činilo se da je tako. Mikroskopski gledano, odgovor bi bio "ne" - jednostavno se više nije primjenjivao na čašu.
Prema Jouleovom prvom zakonu, jednolično električno polje trebalo bi ravnomjerno zagrijavati materijal. Ali pri visokim temperaturama, električno polje ne zagrijava samo staklo - već mijenja kemijsku strukturu.
Električna polja kreću se kroz staklo kad se pozitivno nabijeni ioni (atomi lišeni negativno nabijenih elektrona) ispadnu s položaja i nose naboj preko stakla, rekao je Jain. Najprije se kreću najlakši ioni, noseći električnu struju.
Čaša u ovoj postavi izrađena je od kisika, natrija i silicija. Natrij, lagano vezani lagani ion, obavio je većinu transporta energije. Jednom kada se dovoljno natrijuta promijenilo, promijenilo je kemijski sastav čaše u blizini anode. I kad se jednom promijenila kemija, čaša je više podsjećala na dva različita materijala, a Jouleov zakon više se nije primjenjivao jednoliko. Nastala je žarišta.
Nitko prije nije primijetio učinak, rekao je Jain, vjerojatno zato što ne pukne dok čaša već nije prilično vruća. Materijal u ovom eksperimentu nije stvorio žarišta sve dok peć nije dosegla oko 31 ° C na oko 600 F. To nije jako vruće za staklo, ali mnogo je vruće od uvjeta pod kojima radi većina električnih strojeva koji koriste staklo i električnu energiju.
Za sada su znanstvenici shvatili zašto čaša ključa kada ne bi trebala. I to je prilično uzbudljivo samo po sebi.
Napomena urednika: Ovaj je članak ažuriran kako bi pokazao da je Jouleov zakon kršen iz jedne perspektive, ali ne i druge, kao i da bi popravio kemijsku strukturu čaše.
