焦耳定律是如何得出的（著名的焦耳第一定律）

在电加热玻璃实验中观察到的惊人现象是：正极附近的过热区域会融化甚至消失。

表征和预测电加热硅酸盐玻璃的热行为是很重要的，玻璃广泛将其应用于驱动技术创新的各种设备中。据《科学报告》杂志2月26日报道，美国利哈伊大学材料科学与工程研究人员Himanshu Jain等发现，在一定条件下，电热硅酸盐玻璃会违背著名的焦耳定律。电热理论的基础是由英国物科学家James Prescott Joul于1840年奠定的。焦耳第一定律认为，热量的产生与通过物质的电流的平方成正比。Jain说：“焦耳第一定律已经在均匀的金属和半导体上得到了反复验证。”

研究人员在论文中提到，与导电的金属和半导体不同，含离子的导电玻璃会随着加热时间的延长而变得非常不均匀，并形成纳米级碱乏区。靠近阳极的玻璃会融化甚至消失。原位红外成像和有限元素分析结果显示：取决于加热电流是直流或是交流，玻璃的局部温度会高于剩余样本上千摄氏度。Jain说：“在我们的实验中，玻璃正极附近的温度比其他部分高1000多摄氏度。考虑到玻璃在加热伊始是完全均匀的，这个结果非常令人惊讶。我们认为，导致这种现象的原因可能在于电场在纳米尺度上改变了玻璃的结构和化学性质，从而使这一纳米区域承受了更强的加热效果。经典焦耳定律在纳米尺度下的应用需要被重新考量了。”Jain等的发现揭示了近期他们发现的电场诱导玻璃软化原因。在此前的一篇论文中，Jain和他的同事报道了电场诱导玻璃软化的现象。他们证实，只要在一英寸厚的玻璃样品上施加100伏特的电压，玻璃的软化温度会降低几百摄氏度。

随后，Jain等进行了一项系统的研究，以监测玻璃的温度。他们使用高分辨率红外高温计绘制了整个玻璃样本的温度分布图。结合新的数据和之前的结果，Jain等认为电场极大地改变了玻璃的性质，经典焦耳定律此时不再适用。Jain说：“我们的研究除了证明有必要验证纳米尺度下的焦耳定律外，还对开发新型玻璃和陶瓷材料有重要意义。”

编译：德克斯特 审稿：三水 责编：张梦

来源：《科学报告》

期刊编号：2045-2322

原文链接：https://phys.org/news/2019-02-electrically-heated-silicate-glass-defy-joule.html

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