表征和預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)學治療，例如靶向藥物遞送和再生組織。

根據(jù)Himanshu Jain，鉆石杰出主席的說法，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，應該引起廣泛的科學家，工程師甚至普通大眾的興趣。利哈伊大學材料科學與工程系。

1840年，英國物理學家兼數(shù)學家James Prescott Joule奠定了電加熱的基礎.Joule證明了當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。耆那教的學生，現(xiàn)在是康寧的一名研究員 - 撰寫了今天發(fā)表在科學報告上的一篇論文，詳細描述了他們發(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：“與電子導電金屬和半導體不同，隨著時間的推移，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(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)和化學變化，然后更強烈地加熱這個納米區(qū)域。”

耆那教說，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(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幾百攝氏度。

“計算并沒有說明我們所看到的只是標準的焦耳加熱，”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媒苟伞?/p>

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和其他復雜結(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)至關重要，”Jain說。