Elektrisk opvarmet silikatglas ser ud til at trodse Joules første lov

Det er vigtigt at karakterisere og forudsige, hvordan elektrisk opvarmet silikatglas opfører sig, fordi det bruges i en række forskellige enheder, der driver tekniske innovationer. Silikatglas bruges på skærme. Glasfibre driver internettet. Nanoskala-glasudstyr bliver implementeret for at levere banebrydende medicinske behandlinger såsom målrettet levering af lægemidler og genvoksende væv.

Opdagelsen af, at elektrisk opvarmet silikatglas under visse betingelser trodser en længe accepteret fysiklov kendt som Joules første lov, burde have interesse for et bredt spektrum af forskere, ingeniører, selv offentligheden, ifølge Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair for Department of Materials Science and Engineering ved Lehigh University.

Grundlaget for elektrisk opvarmning blev lagt af James Prescott Joule, en engelsk fysiker og matematiker, i 1840. Joule demonstrerede, at varme genereres, når elektrisk strøm ledes gennem en modstand. Hans konklusion, kendt som Joules første lov, siger ganske enkelt, at varme produceres i forhold til kvadratet af en elektrisk strøm, der passerer gennem et materiale.

"Det er blevet verificeret igen og igen på homogene metaller og halvledere, der opvarmes ensartet, som en glødepære gør, "siger Jain.

Han og hans kolleger - som omfatter Nicholas J. Smith og Craig Kopatz, begge Corning Incorporated, samt Charles T. McLaren, en tidligere ph.d. elev af Jain's, nu forsker ved Corning - har forfattet et papir, der blev offentliggjort i dag i Videnskabelige rapporter der beskriver deres opdagelse af, at elektrisk opvarmet almindelig, homogene silikatglas ser ud til at trodse Joules første lov.

I avisen, med titlen "Udvikling af meget inhomogen temperaturprofil inden for elektrisk opvarmede alkalisilicatglas, "forfatterne skriver:" I modsætning til elektronisk ledende metaller og halvledere, med tiden bliver opvarmningen af ​​ionisk ledende glas ekstremt inhomogen med dannelsen af ​​en nanoskala alkali-nedbrydningsregion, sådan at glasset smelter nær anoden, selv fordamper, mens de forbliver solide andre steder. In situ infrarød billeddannelse viser og endelig elementanalyse bekræfter lokaliserede temperaturer mere end tusinde grader over den resterende prøve afhængigt af om feltet er DC eller AC. "

"I vores forsøg glasset blev mere end tusind grader Celsius varmere nær den positive side end i resten af ​​glasset, hvilket var meget overraskende i betragtning af at glasset var totalt homogent til at begynde med, "siger Jain." Årsagen til dette resultat er vist i ændringen i glasets struktur og kemi på nanoskala af selve det elektriske felt, som derefter opvarmer denne nano-region meget stærkere. "

Jain siger, at anvendelsen af ​​den klassiske Joules fysiklov skal genovervejes omhyggeligt og tilpasses for at imødekomme disse fund.

Disse observationer afslører oprindelsen til et nyligt opdaget elektrisk felt induceret blødgøring af glas. I et tidligere papir, Jain og hans kolleger rapporterede om fænomenet Electric Field induced Softening. De demonstrerede, at blødgøringstemperaturen for glas, der er opvarmet i en ovn, kan reduceres med så meget som et par hundrede grader Celsius ganske enkelt ved at anvende 100 Volt over en tomme tyk prøve.

"Beregningerne lagde ikke op til at forklare, hvad vi så som simpel standard Joule -opvarmning, "siger Jain." Selv under meget moderate forhold, vi observerede dampe af glas, der ville kræve tusindvis af grader højere temperatur, end Joules lov kunne forudsige! "

Holdet foretog derefter en systematisk undersøgelse for at overvåge glasets temperatur. De brugte infrarøde pyrometre med høj opløsning til at kortlægge temperaturprofilen for hele prøven. Nye data sammen med deres tidligere observationer viste, at elektrisk felt ændrede glasset dramatisk, og at de var nødt til at ændre, hvordan Joules lov kan anvendes.

Forskerne mener, at dette arbejde viser, at det er muligt at producere varme i et glas i en meget finere skala end ved de hidtil anvendte metoder, muligvis ned til nanoskalaen. Det ville derefter give mulighed for at lave nye optiske og andre komplekse strukturer og enheder på glasoverfladen mere præcist end før.

"Udover at demonstrere behovet for at kvalificere Joules lov, resultaterne er afgørende for at udvikle ny teknologi til fremstilling og fremstilling af glas og keramiske materialer, "siger Jain.