لا ينبغي أن يكون الزجاج مغلي. لكنها فعلت.
قام فريق من الفيزيائيين بتقطيع مكعبات صغيرة من الزجاج في الفرن بجهد كهربائي حول ما ستحصل عليه من منفذ في منزلك. كانت الكهرباء كافية لتسخين الزجاج ، الذي كان دافئًا بالفعل من الحرارة المحيطة للفرن. ولكن لا ينبغي أن يكون تيارًا كافيًا لغلي الزجاج. لا يغلي الزجاج حتى يصل إلى درجات حرارة تزيد على آلاف الدرجات عما كان يجب أن ينتجه التيار. ومع ذلك ، في فرنهم ، عندما تدفق التيار وخلق مجالًا كهربائيًا ، رأى الفيزيائيون "قطعة رقيقة من البخار" ترتفع من عينة الزجاج.
ولكي يحدث ذلك ، كان يجب أن يركز التيار الكهربائي في جزء واحد من الزجاج ، مما يوفر طاقته بشكل غير متساو. لكن هناك مشكلة: هذا مخالف للقانون.
إليك الصفقة: عندما يمر تيار كهربائي عبر مادة موحدة ، من المفترض أن يسخن المادة بأكملها بالتساوي. يطلق العلماء على قانون جول الأول هذا ، بعد الكيميائي البريطاني جيمس بريسكوت جول ، الذي اكتشفه في أوائل أربعينيات القرن التاسع عشر. إنها حقيقة مادية لها جذور في قانون الحفاظ على الطاقة ، وهي واحدة من أهم القواعد الأساسية التي تحكم كوننا. ونراها في العمل كل يوم. لم تكن خيوط المصباح الكهربائي لطيفة ، حتى لو كانت متوهجة بدون قانون جول في العمل.
لكن يبدو أن هذا التيار يخالف القانون. لم يرتفع البخار فقط من بعض أجزاء الزجاج ، ولكن نقطة ساخنة (مرئية على كاميرا الأشعة تحت الحمراء) كانت ترقص بدوار عبر سطحها. مرارا وتكرارا في تجاربهم ، ظهرت النقاط الساخنة.
هيمانشو جاين ، عالِم المواد بجامعة ليهاي في بيت لحم ، بنسلفانيا ، والمؤلف المشارك لورقة تصف الظاهرة التي نُشرت في 26 فبراير / شباط في مجلة Nature Scientific Reports: "هذا الزجاج متجانس على المستوى الأكثر دقة".
الزجاج عازل ولا يحمل التيار بشكل جيد ؛ مهما كانت صغيرة ، فمن المتوقع أن تحول معظم هذا التيار إلى حرارة. وقال جاين لـ Live Science إن التفكير التقليدي بشأن قانون جول الأول يتوقع أن يسخن التيار الكهربائي الزجاج بالتساوي ، مما يتسبب في ذوبانه وتشوهه ببطء. وفي معظم الظروف ، هذا ما يحدث بالضبط.
قال جاين: "نظرنا إلى تليين الزجاج الساخن تحت مجال كهربائي ، وهذا هو الشيء الذي لم يفعله أحد من قبل".
اتضح أن هذا التسخين غير المتكافئ كان يلقي الكثير من الطاقة بالقرب من الأنود في الزجاج ، نقطة الدخول للتيار. لذلك كان الزجاج يذوب ويتبخر هناك ، حتى عندما يظل صلبًا في مكان آخر. كانت درجات الحرارة في النقاط الساخنة أكثر سخونة من بقية الزجاج. عند نقطة واحدة ، يتم تسخين منطقة واحدة من الزجاج بنحو 2500 F (1400 درجة مئوية) في أقل من 30 ثانية.
فهل تم كسر قانون جول؟ قال جاين نعم ولا. التفكير الماكروسكوبي ، ظهر ذلك. من الناحية الميكروسكوبية ، سيكون الجواب "لا" - لم يعد ينطبق على الزجاج ككل بعد الآن.
بموجب قانون جول الأول ، يجب أن يسخن حقل كهربائي موحد مادة بالتساوي. ولكن في درجات الحرارة المرتفعة ، لا يعمل المجال الكهربائي على تسخين الزجاج فحسب - بل يغير تركيبه الكيميائي.
وقال جاين إن الحقول الكهربائية تتحرك من خلال الزجاج عندما يتم إخراج أيونات مشحونة إيجابيا (ذرات من إلكترونات سالبة الشحنة) من موضعها وتحمل شحنة عبر الزجاج. تتحرك الأيونات الأخف أولاً ، وتحمل التيار الكهربائي.
كان الزجاج في هذا الإعداد مصنوعًا من الأكسجين والصوديوم والسيليكون. قام الصوديوم ، أيون خفيف الوزن المرتبط بشكل فضفاض ، بمعظم نقل الطاقة. بمجرد تحول كمية كافية من الصوديوم ، غيرت التركيب الكيميائي للزجاج بالقرب من الأنود. وبمجرد تغيير الكيمياء ، كان الزجاج يشبه مادتين مختلفتين ، ولم يعد قانون جول مطبقًا بشكل موحد. تشكلت نقطة ساخنة.
قال جاين ، لم يلاحظ أحد التأثير من قبل ، على الأرجح لأنه لا يبدأ حتى يصبح الزجاج ساخنًا بالفعل. لم تطور المادة في هذه التجربة نقاطًا ساخنة حتى وصل الفرن إلى حوالي 600 درجة فهرنهايت (316 درجة مئوية). هذا ليس حارًا جدًا للزجاج ، لكنه أكثر سخونة من الظروف التي تستخدم فيها معظم الآلات الكهربائية أعمال الزجاج والكهرباء.
في الوقت الحالي ، اكتشف العلماء سبب غليان الزجاج في الوقت الذي لا ينبغي أن يكون فيه. وهذا مثير للغاية من تلقاء نفسه.
ملاحظة المحرر: تم تحديث هذه المقالة للإشارة إلى أن قانون جول قد تم اختراقه من منظور دون آخر ، وكذلك لإصلاح التركيب الكيميائي لإعداد الزجاج.
