Le verre n'aurait pas dû bouillir. Mais ça l'a fait.
Une équipe de physiciens a zappé de petits cubes de verre dans un four avec une tension électrique sur ce que vous obtiendriez d'une prise dans votre maison. Il y avait assez d'électricité pour chauffer le verre, qui était déjà assez chaud de la chaleur ambiante du four. Mais cela n'aurait pas dû être suffisant pour faire bouillir le verre. Le verre ne bout pas jusqu'à ce qu'il atteigne des températures à des milliers de degrés au-dessus de ce que le courant aurait dû produire. Et pourtant, dans leur four, lorsque le courant a circulé et a créé un champ électrique, les physiciens ont vu une fine "traînée de vapeur" s'élever de l'échantillon de verre.
Pour que cela se produise, le courant électrique aurait dû se concentrer dans une partie du verre, délivrant son énergie de manière inégale. Mais il y a un problème: c'est contraire à la loi.
Voici l'affaire: lorsqu'un courant électrique traverse un matériau uniforme, il est censé chauffer l'ensemble du matériau de manière uniforme. Les scientifiques appellent cette première loi de Joule, après le chimiste britannique James Prescott Joule, qui l'a découverte au début des années 1840. C'est un fait matériel enraciné dans la loi de conservation de l'énergie, l'une des règles les plus fondamentales qui régissent notre univers. Et nous le voyons au travail tous les jours; Les filaments des ampoules n'auraient pas leur éclat agréable, même sans la loi de Joule au travail.
Mais ce courant semblait enfreindre la loi. Non seulement de la vapeur s'échappait de certaines parties du verre, mais un hotspot (visible sur une caméra infrarouge) dansait avec vertige sur sa surface. À plusieurs reprises dans leurs expériences, des points chauds sont apparus.
"Ce verre est uniforme au niveau le plus infime", Himanshu Jain, scientifique des matériaux à l'Université de Lehigh à Bethléem, Pennsylvanie, et co-auteur d'un article décrivant le phénomène publié le 26 février dans la revue Nature Scientific Reports.
Le verre est un isolant et ne transporte pas bien le courant; aussi petit soit-il, il devrait transformer la majeure partie de ce courant en chaleur. Une réflexion conventionnelle sur la première loi de Joule prédirait qu'un courant électrique chaufferait le verre uniformément, le faisant fondre et se déformer lentement, a déclaré Jain à Live Science. Et dans la plupart des circonstances, c'est exactement ce qui se passe.
"Nous avons examiné le ramollissement du verre chaud sous un champ électrique", a déclaré Jain, "et c'est la chose que personne n'avait fait auparavant."
Il s'est avéré que ce chauffage inégal déversait des charges d'énergie près de l'anode dans le verre, le point d'entrée du courant. Le verre fondait et s'évaporait donc, alors qu'il restait solide ailleurs. Les températures dans les points chauds étaient beaucoup plus chaudes que le reste du verre. À un moment donné, une seule région du verre chauffée par environ 2 500 F (1 400 C) en moins de 30 secondes.
La loi de Joule a-t-elle donc été violée? Oui et non, a dit Jain; penser macroscopiquement, il en est ainsi. Microscopiquement parlant, la réponse serait «non» - cela ne s'appliquait tout simplement plus au verre dans son ensemble.
Selon la première loi de Joule, un champ électrique uniforme devrait chauffer un matériau uniformément. Mais à des températures élevées, le champ électrique ne chauffe pas seulement le verre - il change sa composition chimique.
Les champs électriques se déplacent à travers le verre lorsque des ions chargés positivement (des atomes dépourvus d'électrons chargés négativement) sont mis hors de position et transportent une charge à travers le verre, a déclaré Jain. Les ions les plus légers se déplacent en premier, transportant le courant électrique.
Le verre dans cette configuration était fait d'oxygène, de sodium et de silicium. Le sodium, l'ion léger faiblement lié, a effectué la majeure partie du transport d'énergie. Une fois suffisamment de sodium déplacé, il a changé la composition chimique du verre près de l'anode. Et une fois que la chimie a changé, le verre ressemblait plus à deux matériaux différents et la loi de Joule ne s'appliquait plus uniformément. Un hotspot s'est formé.
Personne n'avait remarqué l'effet auparavant, a déclaré Jain, probablement parce qu'il ne se déclenche que lorsque le verre est déjà assez chaud. Le matériau de cette expérience n'a pas développé de points chauds jusqu'à ce que le four atteigne environ 600 F (316 C). Ce n'est pas très chaud pour le verre, mais c'est beaucoup plus chaud que les conditions dans lesquelles la plupart des machines électriques utilisant le verre et l'électricité fonctionnent.
Pour l'instant, cependant, les scientifiques ont compris pourquoi le verre bouillait alors qu'il n'aurait pas dû. Et c'est assez excitant en soi.
Note de l'éditeur: Cet article a été mis à jour pour indiquer que la loi de Joule a été violée d'un point de vue mais pas d'un autre, ainsi que pour fixer la composition chimique de la configuration du verre.
