文章來(lái)源：《Science Daily(每日科學(xué))》

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

表征和預測電加熱硅酸鹽玻璃的表現非常重要，因為它可用于驅動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新的各種設備中。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學(xué)治療，例如靶向藥物遞送和再生組織。

根據 Himanshu Jain 的說(shuō)法，發(fā)現在某些條件下，電加熱硅酸鹽玻璃無(wú)視長(cháng)期接受的物理定律，稱(chēng)為焦耳的第一定律，應該引起廣泛的科學(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)家兼數學(xué)家 James Prescott Joule 奠定了電加熱的基礎. Joule 證明了當電流通過(guò)電阻器時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量。他的結論，即焦耳的第一定律，簡(jiǎn)單地說(shuō)明熱量是與通過(guò)材料的電流的平方成比例產(chǎn)生的。

“已經(jīng)對均質(zhì)金屬和半導體進(jìn)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(shuō)。

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，現在是康寧的一名研究員 - 撰寫(xiě)了今天發(fā)表在科學(xué)報告上的一篇論文，詳細描述了他們發(fā)現電加熱的普通均質(zhì)硅酸鹽玻璃似乎無(wú)視Joule的第一定律。

在題為“電加熱堿性硅酸鹽玻璃內高度不均勻溫度分布的發(fā)展”的論文中，作者寫(xiě)道：“與電子導電金屬和半導體不同，隨著(zhù)時(shí)間的推移，離子導電玻璃的加熱變得非常不均勻，形成納米級堿 - 消耗區域，使玻璃在陽(yáng)極附近熔化，甚至蒸發(fā)，同時(shí)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局部溫度高于其余樣品超過(guò)千度，取決于場(chǎng)是DC還是AC “。

“在我們的實(shí)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(kāi)始時(shí)玻璃完全均勻，這非常令人驚訝，”Jain說(shuō)。“這一結果的原因在于電場(chǎng)本身在納米尺度上玻璃的結構和化學(xué)變化，然后更強烈地加熱這個(gè)納米區域。”

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

這些觀(guān)察結果揭示了最近發(fā)現的電場(chǎng)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(chǎng)誘導軟化的現象。他們證明，在一英寸厚的樣品中施加100伏特，可以將爐內加熱的玻璃的軟化溫度降低多達幾百攝氏度。

“計算并沒(méi)有說(shuō)明我們所看到的只是標準的焦耳加熱，”Jain說(shuō)。“即使在非常溫和的條件下，我們觀(guān)察到的玻璃煙霧需要比焦耳定律高出數千度的溫度才能預測！”

然后，該團隊進(jìn)行了一項系統研究，以監測玻璃的溫度。他們使用高分辨率紅外高溫計繪制出整個(gè)樣品的溫度曲線(xiàn)。新數據與他們之前的觀(guān)察結果表明，電場(chǎng)顯著(zhù)地改變了玻璃，并且他們必須改變如何應用焦耳定律。

研究人員認為，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)和其他復雜結構和器件。

“除了證明有必要使Joule定律合格外，其結果對于開(kāi)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(shuō)。

來(lái)源：理海大學(xué)（Lehigh University）