Il bicchiere non avrebbe dovuto bollire. Ma lo ha fatto.
Un team di fisici ha scottato piccoli cubetti di vetro in una fornace con una tensione elettrica su ciò che si otterrebbe da una presa di casa. Era abbastanza elettricità per riscaldare il vetro, che era già abbastanza caldo dal calore ambientale della fornace. Ma non avrebbe dovuto essere abbastanza corrente per far bollire il bicchiere. Il vetro non bolle finché non raggiunge temperature di migliaia di gradi superiori a quanto la corrente avrebbe dovuto produrre. Eppure, nel loro forno, quando la corrente scorreva e creava un campo elettrico, i fisici hanno visto un sottile "filo di vapore" sollevarsi dal campione di vetro.
Perché ciò accada, la corrente elettrica avrebbe dovuto concentrarsi in una parte del vetro, fornendo la sua energia in modo non uniforme. Ma c'è un problema: è contro la legge.
Ecco il problema: quando una corrente elettrica passa attraverso un materiale uniforme, dovrebbe riscaldare l'intero materiale in modo uniforme. Gli scienziati chiamano questa prima legge di Joule, dopo il chimico britannico James Prescott Joule, che la scoprì nei primi anni del 1840. È un fatto materiale con radici nella legge di conservazione dell'energia, una delle regole più fondamentali che governano il nostro universo. E lo vediamo al lavoro ogni giorno; i filamenti delle lampadine non avrebbero il loro bagliore piacevole, persino senza la legge di Joule al lavoro.
Ma questa corrente sembrava infrangere la legge. Non solo il vapore si alzava da alcune parti del vetro, ma un punto caldo (visibile su una telecamera a infrarossi) danzava vertiginosamente sulla sua superficie. Ancora e ancora nei loro esperimenti, sono comparsi hotspot.
"Questo bicchiere è uniforme al livello più minuto", Himanshu Jain, scienziato dei materiali alla Lehigh University di Betlemme, in Pennsylvania, e coautore di un documento che descrive il fenomeno pubblicato il 26 febbraio sulla rivista Nature Scientific Reports.
Il vetro è un isolante e non trasporta bene la corrente; per quanto piccolo, si prevede che trasformi gran parte della corrente in calore. Il pensiero convenzionale sulla prima legge di Joule prevedeva che una corrente elettrica avrebbe riscaldato il vetro in modo uniforme, facendolo sciogliere e deformare lentamente, Jain ha detto a Live Science. E nella maggior parte dei casi, è esattamente quello che succede.
"Abbiamo osservato l'ammorbidimento del vetro caldo sotto un campo elettrico", ha detto Jain, "e questa è la cosa che nessuno aveva mai fatto prima".
Quel riscaldamento irregolare, si è scoperto, stava scaricando carichi di energia vicino all'anodo nel bicchiere, il punto di ingresso della corrente. Quindi il vetro si stava sciogliendo ed evaporando lì, anche se è rimasto solido altrove. Le temperature negli hotspot erano molto più calde rispetto al resto del vetro. Ad un certo punto, una singola regione del vetro si è riscaldata di circa 2.500 F (1.400 C) in meno di 30 secondi.
Quindi la legge di Joule è stata violata? Sì e no, disse Jain; macroscopicamente pensando, sembrava così. Microscopicamente parlando, la risposta sarebbe "no" - semplicemente non si applicava più al vetro nel suo insieme.
Secondo la prima legge di Joule, un campo elettrico uniforme dovrebbe riscaldare uniformemente un materiale. Ma a temperature elevate, il campo elettrico non solo riscalda il vetro, ma ne modifica la composizione chimica.
I campi elettrici si muovono attraverso il vetro quando gli ioni caricati positivamente (atomi privati di elettroni caricati negativamente) vengono espulsi e trasportano una carica attraverso il vetro, ha detto Jain. Gli ioni più leggeri si muovono per primi, portando la corrente elettrica.
Il vetro in questa configurazione era fatto di ossigeno, sodio e silicio. Il sodio, lo ione leggero a legame debole, ha svolto gran parte del trasporto di energia. Una volta spostato abbastanza sodio, ha cambiato la composizione chimica del vetro vicino all'anodo. E una volta che la chimica è cambiata, il vetro era più simile a due materiali diversi e la legge di Joule non si applicava più uniformemente. Si formò un hotspot.
Nessuno aveva notato l'effetto prima, ha detto Jain, probabilmente perché non entra in azione fino a quando il bicchiere non è già abbastanza caldo. Il materiale in questo esperimento non ha sviluppato hotspot fino a quando la fornace ha raggiunto circa 600 ° F (316 ° C). Non è molto caldo per il vetro, ma è molto più caldo delle condizioni in cui la maggior parte delle macchine elettriche che usano vetro ed elettricità funzionano.
Per ora, tuttavia, gli scienziati hanno capito perché il vetro stava bollendo quando non avrebbe dovuto. E questo è piuttosto eccitante da solo.
Nota del redattore: questo articolo è stato aggiornato per indicare che la legge di Joule era stata violata da una prospettiva ma non da un'altra, così come per riparare la composizione chimica del vetro.
