不可思议的事情发生了！玻璃似乎打破了电流定律

　　2019年3月4日Live Science报道，玻璃杯不应该煮沸。但确实如此。一队物理学家在电炉中用电压击穿小玻璃立方体，就像你从家里的插座里得到的一样。这是足够的电加热玻璃，玻璃已经从炉子的环境热量中变得非常温暖。但它应该不足以煮沸玻璃。玻璃要到比电流应该产生的温度高出几千度才会沸腾。然而，在他们的烤箱里，当电流流动并产生电场时，物理学家们看到一缕薄薄的蒸汽从玻璃样品中升起。

玻璃的热图显示其温度以摄氏度为单位。图片来源：利哈伊大学

　　要做到这一点，电流必须集中在玻璃的一个部分，不均匀地传递能量。但是有一个问题：那是违背定律的。

　　事情是这样的：当电流通过一种均匀的材料时，它应该使整个材料均匀地受热。科学家们把这称为焦耳第一定律，以英国化学家詹姆斯？普雷斯科特？焦耳的名字命名，他在19世纪40年代初发现了这一定律。这是一个根植于能量守恒定律的物质事实，而能量守恒定律是支配我们宇宙的最基本法则之一。我们每天都能在工作中看到它；如果没有焦耳定律的作用，灯泡灯丝就不会发出漂亮、均匀的发光。

　　但这一现象似乎违反了定律。不仅水蒸气从玻璃的某些部分上升，而且一个热点（在红外摄像机上可以看到）在玻璃的表面炫目地舞动。在他们的实验中，热点一次又一次地出现。

　　“这种玻璃在最细微的层面上是均匀的，”宾夕法尼亚州伯利恒利哈伊大学（Lehigh University）的材料科学家希曼舒杰恩（Himanshu Jain）说。2月26日发表在“自然科学报告 ” 杂志上的一篇论文的共同作者。

　　玻璃是绝缘体，不能很好地传导电流;无论多么小，预计大部分电流都将转化为热能。Jain告诉Live Science，关于焦耳第一定律的传统观点将预测电流会均匀地加热玻璃，使其缓慢熔化和变形。在大多数情况下，这就是实际情况。

　　“我们研究了热玻璃在电场作用下的软化，” Jain说，“这是以前没有人做过的事情。”

　　事实证明，这种不均匀的加热将大量的能量倾倒在阳极附近的玻璃中，阳极是电流的入口点。所以玻璃在那里融化和蒸发，即使它在其他地方保持固态。热点区域的温度比其他玻璃区域要高得多。在某一点上，玻璃的单个区域在不到30秒的时间内加热约2,500华氏度（1,400摄氏度）。

　　那么焦耳定律被打破了吗？“是也不是，” Jain说。从宏观上看，似乎是这样。从微观上讲，答案是“不”——它只是不再适用于整个玻璃。

　　根据焦耳第一定律，均匀的电场应该使材料受热均匀。但是在高温下，电场不仅会加热玻璃，还会改变其化学成分。

　　Jain说，当带正电荷的离子（除去带负电荷的电子的原子）被击飞并携带电荷穿过玻璃时，电场就会穿过玻璃。最轻的离子先移动，携带电流。

　　这个装置中的玻璃是由氧、钠和硅制成的。钠，一种结合松散的轻质离子，承担了大部分的能量传输。一旦有足够的钠转移，它就会改变阳极附近玻璃的化学成分。一旦化学物质发生变化，玻璃就更像是两种不同的材料，焦耳定律就不再适用了。一个热点形成。

　　Jain说，以前没有人注意到这种效果，可能是因为直到杯子已经很热了，它才会起作用。在本实验的材料直到炉温达到600f （316 C）左右才出现热点。这对玻璃来说不是很热，但比大多数使用玻璃和电的电机工作的环境要热得多。

　　不过现在，科学家们已经弄明白了为什么杯子在不该沸腾的时候却沸腾了。这本身就很令人兴奋。