文章來源：《Science Daily(每日科學(xué))》

摘要：一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電加熱的普通均質(zhì)硅酸鹽玻璃似乎無視焦耳的第一定律。

表征和預(yù)測電加熱硅酸鹽玻璃的表現(xiàn)非常重要，因為它可用于驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新的各種設(shè)備中。硅酸鹽玻璃用于顯示屏。玻璃纖維為互聯(lián)網(wǎng)供電。正在部署納米級玻璃裝置以提供突破性的醫(yī)學(xué)治療，例如靶向藥物遞送和再生組織。

根據(jù) Himanshu Jain 的說法，發(fā)現(xiàn)在某些條件下，電加熱硅酸鹽玻璃無視長期接受的物理定律，稱為焦耳的第一定律，應(yīng)該引起廣泛的科學(xué)家，工程師甚至普通大眾的興趣。理海大學(xué)材料科學(xué)與工程系。

1840年，英國物理學(xué)家兼數(shù)學(xué)家 James Prescott Joule 奠定了電加熱的基礎(chǔ). Joule 證明了當(dāng)電流通過電阻器時會產(chǎn)生熱量。他的結(jié)論，即焦耳的第一定律，簡單地說明熱量是與通過材料的電流的平方成比例產(chǎn)生的。

“已經(jīng)對均質(zhì)金屬和半導(dǎo)體進行了一次又一次的驗證，它們像白熾燈泡一樣均勻加熱，”Jain說。

他和他的同事 - 包括康寧公司的 Nicholas J.Smith和 Craig Kopatz，以及前博士的 Charles T. McLaren。Jain 的學(xué)生，現(xiàn)在是康寧的一名研究員 - 撰寫了今天發(fā)表在科學(xué)報告上的一篇論文，詳細(xì)描述了他們發(fā)現(xiàn)電加熱的普通均質(zhì)硅酸鹽玻璃似乎無視Joule的第一定律。

在題為“電加熱堿性硅酸鹽玻璃內(nèi)高度不均勻溫度分布的發(fā)展”的論文中，作者寫道：“與電子導(dǎo)電金屬和半導(dǎo)體不同，隨著時間的推移，離子導(dǎo)電玻璃的加熱變得非常不均勻，形成納米級堿 - 消耗區(qū)域，使玻璃在陽極附近熔化，甚至蒸發(fā)，同時在其他地方保持固體。原位紅外成像顯示和有限元分析確認(rèn)局部溫度高于其余樣品超過千度，取決于場是DC還是AC “。

“在我們的實驗中，玻璃在正面附近比在玻璃的其他部分溫度高出一千攝氏度以上，考慮到玻璃開始時玻璃完全均勻，這非常令人驚訝，”Jain說。“這一結(jié)果的原因在于電場本身在納米尺度上玻璃的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化，然后更強烈地加熱這個納米區(qū)域。”

Jain說，經(jīng)典的焦耳物理定律的應(yīng)用需要仔細(xì)重新考慮并適應(yīng)這些發(fā)現(xiàn)。

這些觀察結(jié)果揭示了最近發(fā)現(xiàn)的電場引起的玻璃軟化的起源。在之前的一篇論文中，Jain和他的同事報告了電場誘導(dǎo)軟化的現(xiàn)象。他們證明，在一英寸厚的樣品中施加100伏特，可以將爐內(nèi)加熱的玻璃的軟化溫度降低多達(dá)幾百攝氏度。

“計算并沒有說明我們所看到的只是標(biāo)準(zhǔn)的焦耳加熱，”Jain說。“即使在非常溫和的條件下，我們觀察到的玻璃煙霧需要比焦耳定律高出數(shù)千度的溫度才能預(yù)測！”

然后，該團隊進行了一項系統(tǒng)研究，以監(jiān)測玻璃的溫度。他們使用高分辨率紅外高溫計繪制出整個樣品的溫度曲線。新數(shù)據(jù)與他們之前的觀察結(jié)果表明，電場顯著地改變了玻璃，并且他們必須改變?nèi)绾螒?yīng)用焦耳定律。

研究人員認(rèn)為，這項工作表明，與目前使用的方法相比，可以在玻璃上產(chǎn)生更熱的玻璃熱，可能達(dá)到納米級。然后，它可以比以前更精確地在玻璃表面上制造新的光學(xué)和其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)和器件。

“除了證明有必要使Joule定律合格外，其結(jié)果對于開發(fā)玻璃和陶瓷材料制造和制造的新技術(shù)至關(guān)重要，”Jain說。

來源：理海大學(xué)（Lehigh University）