supercomet - Amber

SUPERCOMET
Multimedia Onderwijsinstrument voor Supergeleiding, tweede versie
Inleiding
Lesgeven met SUPERCOMET2
ICT in natuurwetenschappelijk onderwijs
Manieren om ICT in de klas te gebruiken
De natuurkunde van supergeleiding
Achtergrondinformatie
De modules
Benodigdheden, Leerdoelen, Kennistoetsen
Voorbeelden van activiteiten
Suggesties voor lessen
Experimenten
Elementair, Geavanceerd, Nascholing voor leraren
Evaluatie
Recensies, commentaar van leraren en leerlingen
Aanvullende bronnen
Boeken, Weblinks
Handleiding
voor leraren
Over SUPERCOMET2
De SUPERCOMET2 CD is ontwikkeld als onderdeel van het SUPERCOMET Project
(N/01/B/PP/131.014) en SUPERCOMET 2 Project (N/04/B/PP/165.008) met financiële steun van
het Leonardo da Vinci Programma Fase II van de Europese Unie.
Doelstellingen van het SUPERCOMET2 Project
Het SUPERCOMET 2 Project beoogt het volgende:
• Het opzetten en uitbreiden van een internationaal samenwerkingsverband met de vernieuwing van
het natuurkundeonderwijs door heel Europa als opdracht.
• Het vestigen en onderhouden van goede banden zowel met bestaande organisaties en
onderzoeksinstellingen op het gebied van natuurkundeonderwijs als met ontwikkelaars van het
curriculum en onderwijsbeleid.
• Het ontwikkelen van een aantal producten ter ondersteuning van het natuurkundeonderwijs die
onmiddellijk inzetbaar zijn en tevens uitbreidingsmogelijkheden bieden naar andere
onderwerpen en leergebieden.
© 2007 Simplicatus AS
P.O. Box 27, NO-2006 Løvenstad, Noorwegen
Redactie
Vegard Engstrøm, Heimo Latal, Leopold Mathelitsch, Gerhard Rath
Uitgever
Simplicatus AS
Auteurs
Francesca Bradamante, Michela Braida, Aileen Earle, Vegard Engstrøm, Barbara Fedele, Jenny Frost,
Gren Ireson, Heimo Latal, Harvey Mellar, Marisa Michelini, Wim Peeters, Alberto Stefanel
Illustraties
Visualize DA
Fotografie
Universiteit van Lille, Universiteit van Torun, Universiteit van Graz, Loughborough University
Partners
BRG Kepler Keplerstrasse 1, Graz, Oostenrijk
Karl-Franzens-Universitaet, Graz, Oostenrijk
Sint-Gabriëlcollege, Boechout, België
Universiteit van Antwerpen, België
Geo Milev English Language School, Rousse, Bulgarije
Universiteit van Rousse, Bulgarije
Maticni Gymnazium, Ostrava, Tsjechië
Universiteit van Ostrava, Tsjechië
Gymnasium Koenigin-Olga-Stift, Stuttgart, Duitsland
Universiteit vanLudwigsburg, Duitsland
Werner-von-Siemens-Gymnasium, Munich, Duitsland
Feodor-Lynen-Gymnasium, Planegg, Duitsland
Erasmus-Grasser-Gymnasium, München, Duitsland
Universiteit vanMünchen, Duitsland
IES Juan de la Cierva y Codorniu, Totana, Spanje
Universidad de Murcia, Spanje
Université des Sciences et Technologies de Lille, Frankrijk
Liceo Scientifico Statale "M. Grigoletti", Pordenone, Italy
Istituto Tecnico Industriale "Arturo Malignani", Udine, Italy
Istituto Statale Di Istruzione Superiore "R. D'Aronco", Gemona, Italy
Liceo Scientifico Statale "Giovanni Marinelli", Udine, Italy
Universiteit vanUdine, Italië
Central Gymnasium of Daugavpils, Letland
Livani Secondary School No 2, Livani, Letland
Universiteit vanDaugavpils, Letland
In memory of Guntis Liberts (Letland)
 June 30th, 2007
Bonhoeffercollege, Castricum, Nederland
AMSTEL Instituut, Amsterdam, Nederland
Trondheim Katedralskole, Trondheim, Noorwegen
I Liceum Ogolnoksztalcace, Slupsk, Polen
Pomorska Akademia Pedagogiczna, Slupsk, Polen
Escola Secundaria Monte de Caparica, Portugal
Universidade Nova de Lisboa, Portugal
Aurel Vlaicu Upper Secondary School, Arad, Roemenië
Colegiul Tehnic "Transilvania", Deva, Roemenië
Elektrotimis High School, Timisoara, Roemenië
Technical College of Construction and Environmental, Arad, Roemenië
School Moor Lane, Nottingham, Verenigd Koninkrijk
Loughborough University, Leicestershire, Verenigd Koninkrijk
Institute of Education, Universiteit vanLondon, Verenigd Koninkrijk
Inhoudsopgave
Inleiding ......................................................................................................................................... 5
Doelen van de SUPERCOMET2 CD en leraren handleiding ................................................... 5
SUPERCOMET2 – het programma ....................................................................................... 6
Les geven met SUPERCOMET2 ............................................................................................. 9
ICT in wetenschappelijk lesgeven .................................................... Error! Bookmark not defined.
Voornaamste vormen van ICT relevantie in natuurkunde op schoolError! Bookmark not defined.
Waarom ICT gebruiken in de natuurkundige lesgeving?........................................................ 14
Manieren om ICT te gebruiken in het klaslokaal .................................................................... 16
Vinden, aanpassen en delen van supergeleiding lesmateriaal .............................................. 18
Natuurkunde en Supergeleiding ....................................................... Error! Bookmark not defined.
De Modules.................................................................................................................................. 19
Overzicht ............................................................................................................................... 30
Magnetisme.............................................................................. Error! Bookmark not defined.
Elektromagnetische inductie .................................................................................................. 33
Elektrische geleiding ............................................................................................................. 34
Geschiedenis van supergeleiding .......................................................................................... 37
Introductie in supergeleiding .................................................................................................. 39
Toepassingen van supergeleiding ......................................................................................... 41
Supergeleidende materialen .................................................................................................. 43
Uitleg over supergeleiding ..................................................................................................... 45
Activiteiten met supergeleiders .............................................................................................. 46
Voorbeelden van activiteiten ..................................................................................................... 47
Effecten van temperatuur op de weerstand van metalen en van supergeleiders ................... 47
Voorgestelde lessen in supergeleiding .................................................................................. 49
SUPERGELEIDING – Stimulerende werkbladen voor leerlingen........................................... 60
Experimenten – leraren nascholing ........................................................................................... 74
Het overzicht van de leraren nascholing ................................................................................ 74
Lesmethodes – actief leren ................................................................................................... 75
Werken met vloeibaar stikstof en magneten .......................................................................... 82
Zweef experimenten .............................................................................................................. 83
Handmatige activiteiten met magnetische en elektromagnetische verschijnselen.................. 88
Hoe maak je een eigen supergeleider ................................................................................... 94
De overgang meten van de temperatuur van een supergeleider ........................................... 96
Evaluatie .................................................................................................................................... 102
Standaard Informatie ........................................................................................................... 102
Deskundige recenties: Twee voorbeeldstudies .................................................................... 103
Lerarencommentaar op het materiaal .................................................................................. 105
Leerlingencommentaar op het materiaal ............................................................................. 106
Verdere Bronnen ....................................................................................................................... 112
Inleiding
Doelen van de SUPERCOMET2 CD en leraren
handleiding
SUPERCOMET2 is ontwikkeld als een computerapplicatie die grafisch, animaties, tekst en
navigatie combineert om geselecteerde delen van het natuurkundig curriculum in hoger
middelbaar onderwijs aantrekkelijker en toegankelijker te maken.
SUPERCOMET2 CD ROM Leerdoelen
De SUPERCOMET2 CD ROM is bedoeld als een introductie in supergeleiding, de theorieën waarop
de ontdekking is gebaseerd (magnetisme en elektrische inductie en geleiding inbegrepen), en zijn
geschiedenis. Gebaseerd op werk met het SUPERCOMET2 materiaal, zullen leerlingen in staat zijn
om:
1. te bewijzen hoe een theorie is gerelateerd met bewijs
2. de mogelijke manieren verkennen om het fenomeen te gebruiken
3. de technische implicaties van een nieuwe ontdekking te verkennen
4. te beschrijven hoe wetenschappers data krijgen en interpreteren
5. te beschrijven hoe de wetenschap en technologie nieuwe ideeën gebruiken
6. wetenschappelijke ideeën te communiceren naar verschillende doelgroepen
7. uit zichzelf vragen te stellen over natuurkunde en wat dat te maken heeft met het dagelijks
leven
8. wat verbindingen tussen verschillende velden van de natuurkunde voor te stellen
Doelen van de lerarenhandleiding
De lerarenhandleiding is bedoeld om de pedagogische basis aan te geven voor het gebruik van
SUPERCOMET2 en effectieve manieren voor te stellen voor het gebruik ervan in het klaslokaal, als
deel van de dagelijkse lesomgeving, ‘stand-alone’ modus en in combinatie met praktische
demonstraties en multimedia ‘tools’. Het geeft informatie over de natuurkunde van supergeleiding en
geeft mogelijkheden voor evaluatie van het werk met SUPERCOMET2.
Doelgroep
De doelgroep van SUPERCOMET2 zijn middelbare scholieren.
SUPERCOMET2 - het programma
SUPERCOMET2 bestaat uit zelfstandige modules en een paar andere
nuttige oriënterende, lesgevende en informatieve bronnen zoals
hieronder weergegeven:
Navigatie
Hoofdmenu
Talen
Help
Verklarende woordenlijst
FAQ
Hoofdmenu
Magnetisme
Elektromagnetisch inductie
Elektrische geleiding
Introductie in de supergeleiding
Toepassingen van supergeleiding
Activiteiten met supergeleiders
Geschiedenis van supergeleiding
Supergeleidend materiaal
Verklaring van supergeleiding
Zoeken
Animaties
Tekstbronnen
Bladwijzer gereedschap
Activiteit
Video’s
Foto’s
Referenties
Links
Een snelle startgids
1. Als je naar een speciaal onderwerp zoekt (bijvoorbeeld elektrische weerstand), kijk dan de
betreffende inhoudsmodule in de leraren handleiding door.
2. Zie pagina 49 om te kijken of er enige kant-en-klare lesplannen zijn waaraan je jouw lesgeven
kan aanpassen. Een alternatief is, ga naar www.supercomet.eu om naar de materialen te kijken
die bijgedragen zijn door andere leraren (Simplicatus intranet)
3. Start de SUPERCOMET2 CD ROM en maak jezelf bekend met de navigatiestructuur.
4. Ga naar de module die het meest past bij het onderwerp waarin u lesgeeft en maak uzelf ermee
bekend.
5. Gebruik SUPERCOMET2 zoals voorgesteld in het lesplan dat u heeft gevonden in de gids, of
schrijf zelf een lesplan.
6. Beoordeel na de les hoe het ging. Misschien wilt u uw werk delen en uitwisselen met andere
leraren door in te loggen op het Simplicatus intranet (http://intranet.simplicatus.no/).
Hoe start ik het SUPERCOMET2 programma?
System benodigdheden
Voor het gebruik van het SUPERCOMET2 computer programma, kijk alstublieft eerst of uw computer
en browser aan het volgende minimum (of aangeraden) voldoen.
PC
• Microsoft Windows 98 SE / Me / 2000 / XP / NT
• 500 MHz Pentium 4 processor (1 GHz Pentium 4 aangeraden)
• 64 MB RAM (256 MB RAM aangeraden)
• 16-bit color aangeraden voor een optimaal beeld.
• 800x600 resolutie
• 4x CD ROM
• Macromedia Flash Player (version 7.x - gratis beschikbaar bij www.flash.com)
Mac
•
•
•
•
•
•
•
MacOS 9.x / X 10.1.x / X 10.2.x / X 10.3.x
Power Macintosh (1 GHz G4 aangeraden)
64 MB RAM (256 MB RAM aangeraden)
16-bit colour aangeraden voor een optimaal beeld.
800x600 resolutie
4x CD ROM
Macromedia Flash Player (version 7.x - gratis beschikbaar bij www.flash.com)
Browser benodigdheden
MS Internet Explorer 6.0 of beter
Gebruik maken van het SUPERCOMET2 programma
Plaats de diskette in de CD ROM driver.
De diskette zou automatisch moeten opstarten. Als dit niet het geval is, volg dan de instructies op het
etiket, of open het bestand genaamd “Open.html” in uw browser. Als uw problemen heeft met het
laden of het gebruik van het SUPERCOMET2 programma, open dan het ‘read-me.txt’ bestand op de
CD.
Hoe vind ik mijn weg in SUPERCOMET2?
U kan ook de navigatie links volgen (zie hieronder)...
Met deze knop kan u een pagina
bookmarken waar u later terug wil
komen. Het is niet mogelijk meerdere
pagina’s te bookmarken.
Klik hier om het hoofdmenu, de help,
de woordenlijst of de FAOs te vinden
en de taal te kiezen
De zoek balk
Dit is de besturing voor de interactieve animaties. U
kunt ze gebruiken om met de simulaties te
veranderen. Wat elke knop doet zal afhangen van de
animatie en zal duidelijk worden gemaakt op dat
tijdstip.
Lesgeven met SUPERCOMET2
Veelgestelde vragen
V: Supergeleiding zit niet in het leerplan, dus waarom zou ik er les in geven?
A: Supergeleiding kan gebruikt worden als een aantrekkelijke manier om leerlingen les te geven over
de structuur van materie, elektriciteit, magnetisme en elektromagnetische inductie.
V: Ik geef les aan kinderen onder de 16. Kan ik supergeleiding gebruiken in mijn lessen?
A: Eenvoudige demonstratieproeven met supergeleiding kunnen ook in de onderbouw gebruikt
worden.
V: Ik heb geen tijd om de hele CD ROM door te nemen. Kan ik een andere manier gebruiken?
A: Hoewel je de hele CD ROM kan doorwerken van het begin tot het eind, het is mogelijk om
verschillende delen van de inhoud (tekst, grafieken, animaties) te gebruiken op “stand-alone
basis’’. Er is een krachtige zoekfunctie aan toegevoegd om u te helpen het relevante materiaal voor
uw klas te vinden.
V: Wanneer ik de animaties run, krijg ik een foutmelding die zegt dat “Windows het bestand
niet kan openen’’
A: De animaties zijn gemaakt onder een formaat genaamd Flash. Om deze af te spelen in uw browser,
moet eerst de Plug-in geïnstalleerd worden. Een kopie is aanwezig op de CD ROM.
V: Ik vind sommige animaties op de CD ROM heel nuttig. Kan ik ze gebruiken in materiaal dat
door mij of mijn leerlingen gemaakt wordt, zoals webpagina’s of PowerPoint presentaties?
A: De SUPERCOMET2 materialen zijn staan onder copyright en mogen alleen gebruikt worden voor
onderwijsdoelen volgens het aankoopbewijs.
Kijk op www.supercomet.eu voor meer informatie.
V: Waarom zou ik de CD ROM gebruiken in plaats van demonstraties waar zijn leerlingen erg
van houden?
A: Gebruik het ‘zowel als’, en niet ‘in plaats van’ live demonstraties. Leerlingen kunnen de CD ROM
dan gebruiken om hun verkregen resultaten te controleren. In sommige gevallen kan de CD ROM
gebruikt worden om dingen te demonstreren die op school niet haalbaar zijn.
Zie ook ‘de animaties van SUPERCOMET2 laten natuurkunde leven en helpen leerlingen bij het
leren’ voor meer informatie over hoe animaties leerlingen kunnen helpen bij het leren.
V: Kan ik practicum lessen vervangen met de SUPERCOMET2 CD ROM?
A: Niet echt – onderzoek wijst uit dat leerlingen meer voordeel hebben met het leren met simulaties
samen met ‘’echte’’ praktische demonstraties.
V: Zijn er enige andere lesplannen of lesmaterialen die ik zou kunnen gebruiken?
A: Ja – in deze leraren handleiding zitten een aantal bruikbare lesmaterialen en suggesties voor leer
activiteiten. Verder onderzoek is beschikbaar op het internet.
V: Ik heb wat supergeleidende materialen ontwikkeld die ik zou willen uitwisselen. Wat moet ik
ermee doen?
A: Het SUPERCOMET2 project heeft een internationaal online gemeenschap van leraren ontwikkeld
die supergeleiding gebruiken in hun lessen. Neem contact op [email protected] voor meer
informatie.
Supergeleiding kan gebruikt worden als een spannende manier om les te
geven in veel natuurkundige concepten
Supergeleiding kan in samenhang gebruikt worden om les te geven in
• Magnetisme
• Elektrische inductie en geleiding
• De relatie tussen temperatuur en weerstand van metalen geleiders
• Het effect van temperatuur op materialen in termen van ‘’roostertrillingen’’
Door het in samenhang gebruik van supergeleiding voor het leren over concepten zoals temperatuur en
magnetisme, kunnen leerlingen de theorie onmiddellijk toepassen op hun leven, dit maakt het leren
relevanter en spannender.
Supergeleiding is het nieuwste van het nieuwste
• Kort geleden in 2003 was de Nobel prijs gegeven aan supergeleiding onderzoekers
• Onderzoek naar supergeleiding is tegenwoordig in meeste universiteiten, hi-tech bedrijven en
onderzoek instituten aan de gang.
De theorie van supergeleiding wordt in vele spannende moderne
toepassingen gebruikt
•
•
•
•
•
•
•
•
Medische beeldvorming (Magnetische Resonantie Imaging – MRI)
Maglev (Zweef)treinen
Magnetische afscherming
Deeltjesversnellers
Geavanceerde mobiele telefonie
SQUID Magnetometer (supergevoelige detector van magneetvelden)
Hoogspanningskabels
Apparatuur voor het opslaan van energie
Supergeleiding opent de deur naar wat natuurkundigen werkelijk doen
• Wereldwijd doen momenteel honderden natuurkundigen onderzoek naar supergeleiding.
• In het totaal hebben 12 onderzoekers over de hele wereld de Nobelprijs (in 1913, 1972, 1973, 1987
en 2003) gekregen voor hun werk in de supergeleiding.
De animaties van SUPERCOMET2 laten natuurkunde leven en helpen
leerlingen bij het leren
De SUPERCOMET2 CD bevat een uitgebreide hoeveelheid tekstueel naslagmateriaal, links,
woordenlijsten, figuren, video clips van demonstratieproeven en quizzen die samen een uitstekende
bron vormen voor het lesgeven in supergeleiding. Toch is het belangrijkste kenmerk van
SUPERCOMET2 het grote aantal interactieve animaties van natuurkunde processen: de
schermbeelden hieronder laten een kleine selectie zien uit de vele interactieve animaties die u op de
CD ROM kunt aantreffen.
Hoe animaties kunnen helpen bij het leren
• Virtuele labs kunnen een aantal experimenten voor leerlingen toegankelijk maken die zij anders
nooit in een normaal klaslokaal zouden kunnen doen vanwege de veiligheid, of omdat de effecten te
snel, te langzaam of te klein zijn.
• Bij het werken met de animaties, kunnen eenvoudig parameters veranderd worden en de
bijbehorende effecten onderzocht, zodat de leerlingen inzicht verwerven dat anders door ruis en
praktische experimentele problemen onbereikbaar zou blijven.
• In combinatie met echte experimenten, kunnen animaties de studenten helpen het verband tussen
modellen en werkelijkheid te begrijpen, en zo inzien hoe natuurwetenschap te werk gaat.
• Animaties maken het leren van natuurwetenschappen prettiger en meer aansprekend voor leerlingen.
• Het is aangetoond dat animaties effectief zijn bij het illustreren van de complexe functionele en
procedurele verbanden die men zo vaak tegenkomt bij het leren van natuurkunde.
• Door een begripsmatige interpretatie bij de simulaties (een vereenvoudigde voorstelling van de
werkelijkheid) te geven, kunnen animaties studenten helpen bij het koppelen van het begrijpen van
modellen en van de verschijnselen in werkelijkheid.
• Animaties leveren leerlingen beeld en beweging, welke allebei wezenlijk zijn voor het begrip en het
onthouden van natuurwetenschappelijke eigenschappen.
• Animaties hebben geen last van de ruis van werkelijke experimenten, waardoor studenten
makkelijker modellen van natuurkunde verschijnselen kunnen construeren.
• Interactieve animaties van natuurkunde begrippen stellen studenten in staat hun eigen modellen van
nieuwe verschijnselen te testen en verfijnen.
• Geschikte animaties kunnen leerlingen helpen de inhoud uit de tekst te halen.
• Animaties zorgen dat de leerlingen actiever zijn bij het leren, waardoor ze minder hoeven terug te
vallen op de leraar als hoofdbron van kennis.
Tip voor leraren
Er zijn aanwijzingen dat leerlingen simulaties en animaties te letterlijk nemen, en daardoor een al te
eenvoudige voorstelling ontwikkelen van de 'lastige' natuurkundeverschijnselen die ze voorstellen (zie
bijvoorbeeld Wellington, 2004). Daarom is het belangrijk dat leraren een actieve rol spelen om de
studenten in samenhang met echte experimenten, begrip bij te brengen voor de aard van modellen hun
rol in de natuurkunde.
Gebruik van ICT in het
natuurwetenschappelijk onderwijs
Hoe kan men informatie- en communicatietechnologie (ICT) bij het
natuurkundeonderwijs gebruiken?
De belangrijkste soorten ICT voor natuurkunde op school
Er zijn veel vormen van ICT nuttig in de natuurkundeklas of bij het practicum. In combinatie met klasen individuele activiteiten, kunnen zij het leren door studenten een ander gezicht geven. Onderstaande
lijst bevat een aantal technieken, zie Osborne & Hennessy (2003).
Meetsystemen
Meetsystemen, waaronder dataloggers en sensor interfaces, in combinatie met software om de
meetgegevens te verwerken en te interpreteren, betrekken studenten bij (het begrijpen van) praktische
natuurkunde experimenten en helpen bij het ontwikkelen van de houding van een onderzoeker. Een
datalogger kan zowel los van de computer als, via een interface, daarop aangesloten worden gebruikt.
In de ‘off-line’ of veldinstelling kan men metingen doen zonder dat men rechtstreeks op een computer
aangesloten hoeft te zijn. Dataloggers zoals de CMA ULAB (www.cma.science.uva.nl), de TI CBL2
(education.ti.com) of de Data Harvest (www.data-harvest.co.uk), verrichten gedurende een bepaalde
tijd herhaalde uitlezingen van een serie sensoren (denk aan lichtsterkte, temperatuur, geluid, spanning,
geleidbaarheid, beweging), verwerken die en slaan ze op. Elke moderne datalogger heeft zijn eigen,
eenvoudig grafisch gereedschap om een directe eerste indruk weer te kunnen geven. Na het meten kan
de datalogger aangesloten worden op een computer of een PDA (Persoonlijke Digitale Assistent) om
de gegevens in meer detail grafisch weer te geven en te bewerken.
Videometen
Videomeetsystemen stellen de gebruiker in staat bewegingen, al dan niet buiten het klaslokaal, van
mensen, dieren en/of voorwerpen op te nemen en te analyseren. Door de software worden van een
digitale video-opname meetgegevens over tijd en plaats verzameld. De onderwerpen kunnen tamelijk
alledaags van aard zijn zoals fietsen, schieten van een voetbal, het gooien van een basketbal of
attracties in een pretpark, dan wel meer ongebruikelijk als autobotsingen of het springen op de Maan.
De videometingen kunnen zowel aan digitale videoclips (in formaten als AVI, MOV of MPG), als aan
losse beelden (formaat BMP, GIF of JPG), verricht worden. Bij het videometen worden de tijd- en
plaatsgegevens van de uitgezochte videoframes hetzij handmatig door muisklikken verzameld, hetzij
automatisch door het traceren (computervolgen) van bewegende objecten als een bal of een hoofd.
De op deze manier verzamelde videopunten kunnen weer gebruikt worden om door berekening de
plaats van andere punten (als het zwaartepunt) te bepalen.
Bij metingen aan een los beeld worden de plaatsgegevens (of bij een stroboscopische opname de
plaats- en tijdgegevens) verzameld door de te bestuderen punten op het beeld aan te klikken.
De video- of beeldgegevens kunnen in een grafiek of een table worden weergegeven om te gebruiken
voor verdere bewerking en analyse.
Digitale videoclips om te gebruiken bij videometen kunnen worden gevonden op het Internet of
probleemloos zelf gemaakt met een webcam of een digitale camera. Software voor het analyseren van
video’s kan men vinden in het programma Coach 6 (www.cma.science.uva.nl); deze software heeft
ook mogelijkheden voor het opnemen en bewerken van digitale videoclips. Bewerkingsmogelijkheden
zijn onder andere:
- Bijstellen van helderheid en contrast
-
Roteren en spiegelen
Plaatsen van tekstueel commentaar
Uitvoeren van perspectiefcorrectie.
Informatiesystemen
Deze categorie omvat het Internet, CD ROMs, elektronische naslagwerken e.d. Het levert een
informatiebron op, waar studenten voor hun eigen leerproces op terug kunnen vallen. Zo kunnen zij
bijvoorbeeld de SUPERCOMET2 CD ROM – of een online encyclopedie – gebruiken om meer te
weten te komen over onderzoekers op het gebied van supergeleiding die de Nobelprijs hebben
gekregen.
Modelleren
Een modelleeromgeving is software die de leerling in staat stelt een op de computer uitvoerbaar model
van natuurwetenschappelijke verschijnselen te maken en daarmee de oplossing en visualisering van
een natuurwetenschappelijk probleem langs digitale weg mogelijk maakt. Papier kan in dit verband
gezien worden als een passief medium, in tegenstelling tot de computer die als een actief medium
steeds weer afgestemd en aangepast kan worden. Veel schrijvers beschouwen modelleren als een (of
zelfs het) essentiële aspect van de natuurwetenschappelijke aanpak van een probleem, als geïllustreerd
in de slogan “Science is the name, modelling is the game”. In dit opzicht is modelleren in de
natuurkunde zowel middel als doel.
Een modelleeromgeving wordt gebruikt om modellen te maken en te analyseren van biologische,
chemische, fysische, economische, sociale en ecologische systemen. Het is als een stuk gereedschap in
de zin dat het de gebruiker een krachtig pakket aan mogelijkheden biedt, zonder erbij te vertellen wat
de gebruiker met die mogelijkheden moet doen.
Er zijn verschillende vormen om modellen te construeren en te zien: de grafische modus, de
vergelijkingen modus en de tekstmodus.
De grafische modus wordt vaak ‘Systeem-dynamische’ Modelleer software genoemd, zoals Stella
(www.iseesystems.com), PowerSim (www.powersim.com) of Coach 6 (www.cma.science.uva.nl),
gebaseerd op de voorraad-stroom aanpak ontwikkeld door Prof. Jay W. Forrester van MIT in vroege
zestiger jaren. Systeemdynamica is een methode die gebruikt wordt om te begrijpen hoe systemen in
de tijd veranderen. Zulke modellen kunnen veel complexer zijn en meer gelijktijdige berekeningen
uitvoeren dan menselijke mentale modellen.
De vergelijkingen- en de tekstmodus zijn gebaseerd op tekst, en geven dus een tekstuele
representatie van de wiskunde achter het model.
De differentiaalvergelijkingen van het model kunnen worden opgelost met verschillende numerieke
iteratiemethodes zoals Euler of Runge-Kutta, daarmee de gevorderde wiskunde omzeilend die anders
nodig zou zijn geweest om realistische maar complexe problemen op te lossen.
Ook spreadsheets als Excel kunnen worden gebruikt om modellen mee te maken. Het de leerlingen
mogelijk maken om zelf van allerlei processen eigen modellen te maken en te testen, kan een krachtig
leerinstrument zijn.
Multimedia Software
Multimedia software zoals SUPERCOMET2 bevat doorgaans tekst, video en audio clips, gesproken
verklaringen, figuren en animaties, werkbladen, interactieve activiteiten, diashows en verklarende
woordenlijsten. Bijzonder nuttig voor het lesgeven in de natuurkunde zijn virtuele laboratoria, die het
de studenten mogelijk maken virtueel experimenten uit te voeren die zij anders in de klas niet zouden
kunnen doen. Het stelt hun ook in staat de gegevens uit werkelijke experimenten te vergelijken met de
gegevens verkregen uit modellen. Multimedia software kan gebruikt worden voor het demonstreren
van verschijnselen (bijvoorbeeld magneten die zweven boven gekoelde supergeleiders) en/of het
simuleren van processen in 'virtuele experimenten' (bijv. het verband tussen de bewegingssnelheid van
een koperdraad door een elektrisch veld en de resulterende spanning).
Publiceren op Internet/Intranet en presentatiemiddelen
Studenten kunnen tekstverwerkers of multimedia presentatie software (als Dazzler op
www.dazzlersoft.com) gebruiken om aan anderen verslag te doen van natuurkundeverschijnselen
waarover zij geleerd hebben tijdens werkelijke - of virtuele- experimenten. Deze verslagen kunnen een
onderdeel zijn van een portfolio van hun werk. Dergelijke verslagen kunnen ook gemaakt worden met
html editors als Dreamweaver (www.macromedia.com) en vervolgens op het school intranet (of zelfs
internet) gezet worden als een gepubliceerde getuigenis van hun werk. Er zijn veel sites te vinden die
zo'n webpagina gratis verzorgen– www.geocities.com of www.webspawner.com zijn twee goede
voorbeelden.
Digitale opnameapparatuur – foto- en videocamera's
Leraren – en studenten – kunnen digitale camera's en webcams gebruiken om experimenten waaraan
zij gewerkt hebben vast te leggen of foto's maken voor het terugzien, voor de les of om in het verslag
op te nemen.
Computerprojectie technologie
Computerprojectie technologie is een belangrijk element van het natuurkunde onderwijs. Het kan
gebruikt worden om alles wat op een enkele computer gebeurt voor iedereen zichtbaar te maken.
Zowel beamers en projectieschermen als grote monitoren of TV's kunnen met deze technologie
gecombineerd worden om les of presentaties te geven die door iedereen gevolgd of beoordeeld kunnen
worden. Nog effectiever zijn interactieve whiteboards waarop een student kan werken terwijl de leraar
zorgt dat de rest van de klas met dezelfde software (bijvoorbeeld AB Tutor Control,
www.abconsulting.com) werkt en hij alle schermen kan volgen, waardoor bijvoorbeeld een
vergelijking tussen de resultaten van de verschillende studenten en een SUPERCOMET model
mogelijk is. Door de techniek van het delen van schermen samen met die van interactieve whiteboards
te gebruiken, kan men een volledig, gezamenlijk verslag van een experiment maken.
Waarom ICT in de natuurkundeles?
Het gebruik van ICT is al sinds de jaren tachtig een verplicht onderdeel van het nationale curriculum.
Uit een recent literatuuroverzicht (Osborne & Hennessy, 2003) blijkt dat ICT een ommekeer teweeg
kan brengen in het leren en lesgeven in het natuurkundelokaal. Hieronder volgen sommige voordelen
die zij aangeven:
ICT kan studenten helpen sneller te werken en bevrijdt ze van arbeidsintensieve taken
 Het gebruik van ICT (vooral het dataloggen, verwerken en grafisch representeren) kan
vervelende en foutgevoelige taken versnellen, zoals het doen van herhaalde en complexe
metingen, het uitwerken van moeilijke formules en het tekenen van grafieken.
 Het is mogelijk een groter aantal metingen te doen en te vergelijken, zowel wat meetklassen als
tijden betreft.
 ICT verhoogt de productiviteit van de leerlingen en de kwaliteit van het door hun
geproduceerde werk.
 Interactieve computer simulaties leveren tijdwinst omdat studenten - en leraren- geen opstelling
hoeven te maken.
 Behalve dat op ICT gebaseerde handelingen sneller zijn dan handmatige, leveren ze ook
gegevens met minder ruis waardoor de verschijnselen duidelijker naar voren komen.
 Voorgekozen verwijzingen in elektronische werkbladen en interactieve activiteiten besparen de
studenten tijd bij het vinden van relevante bronnen.
 ICT maakt tijd vrij voor leraren die ze aan de studenten kunnen besteden door ze te helpen met
nadenken, de gegevens te analyseren en te vergelijken met die van anderen.



Door het laten zien van de gegevens tijdens de meting, kan de leraar met de klas in discussie en
ter plekke het verband tussen een verschijnsel en het model daarvoor demonstreren, zelfs al
zijn er meerdere variabelen in het spel.
Met computer modellen en simulaties kunnen studenten veel complexere processen beschrijven
en onderzoeken dan anders in het klaslokaal mogelijk zou zijn geweest.
Omdat er tijd vrijkomt door het wegvallen van moeizame taken, kunnen studenten meer
nadenken over de verschijnselen die zij onderzoeken.
Het leerproces verbreden en actualiseren
 Door ICT en internet krijgen studenten toegang tot een groter assortiment hedendaagse
instrumenten en informatiebronnen. Daardoor kunnen scholen het leerproces echter en actueler
maken dan met boeken alleen.
 Studenten kunnen verbanden leggen tussen wat zij leren en de werkelijkheid om hen heen.
 Goede studenten zijn in staat de hulpbronnen zó te gebruiken dat zij meer leren dan door hun
leraren (of het curriculum) oorspronkelijk was gepland.
 Simulaties, animaties en virtuele laboratoria stellen studenten en leraren in staat demonstraties
te doen of waar te nemen die anders vanwege kosten, veiligheid, tijd en apparatuur onmogelijk
waren geweest.
 Virtuele experimenten kunnen zoveel als noodzakelijk herhaald worden, wat bij 'echte'
experimenten nauwelijks mogelijk is.
ICT zet studenten aan tot onderzoekend experimenteren
 Het gebruik van grafische en modelleer mogelijkheden of interactieve simulaties met
onmiddellijke feedback stimuleert studenten tot een meer experimentele, speelse manier van
werken, het testen en onderzoeken van verbanden en het verfijnen en opnieuw testen van eigen
ideeën.
 De lesmethode Voorspel– Kijk – Leg uit werkt bijzonder goed als men ziet hoe een grafiek
groeit of hoe zich een model ontwikkelt.
 Interactieve computer modellen en het snelle representeren van gegevens zoals dat met ICT
(bijv. dataloggen) mogelijk is, spoort de leerlingen aan om onderzoekende (wat.. als) vragen te
stellen en de antwoorden daarop te testen met nieuwe virtuele activiteiten.
 Door het dynamische en interactieve karakter van ICT (anders dan bij gedrukte tekst), wordt bij
studenten door het gebruik (als spreadsheets en modelleer omgeving) een iteratieve benadering
van het leerproces ontwikkeld.
ICT legt de nadruk op de belangrijke, algemene principes
 Studenten zijn beter in staat zich natuurkundige processen voor te stellen en te koppelen aan
verschillende variabelen en hun kwalitatieve of numerieke verbanden.
 In plaats van op onbelangrijke details kan de aandacht zich richten op het probleem/begrip dat
onderzocht wordt.
 De abstracte en anders moeilijk te bergijpen kenmerken van natuurkundige processen (zoals
stroom en magneetvelden) worden eruit gelicht.
 Leerlingen kunnen zich sneller en makkelijker begrippen eigen maken, zij kunnen nieuwe
ideeën sneller formuleren en ze soepeler van de ene naar de andere context overbrengen.
 Als een grafiek gelijk met de meting ontstaat, wordt de aandacht van de studenten gericht op
wat er met de gegevens gebeurt.
 Door het gebruik van analyse- en interpretatieystemen voor computergegevens zijn studenten
beter in staat om zich te richten op de verbanden tussen de variabelen in plaats van op de
grafiek als een verzameling losse punten.
Aanmoedigen tot zelfstandigheid en samenwerkend leren



Het gebruik van ICT om natuurkunde-verschijnselen te onderzoeken en ermee te
experimenteren geeft studenten meer controle over hun leerproces en spoort ze aan daarin een
actieve rol in te spelen.
Leerlingen die onderzoek of practicum doen met gebruik van ICT zijn vaak minder afhankelijk
van de leraar.
'Onafhankelijkheid' betekent niet dat de leerlingen alleen werken. Het samenwerken van
studenten met leeftijdgenoten bij hun taken terwijl zij hun kennis en ervaring uitwisselen en tot
gezamenlijke uitkomsten komen wordt meer en meer het overheersende model voor onderwijs
technologie.
Verbeteren van motivatie en betrokkenheid
 Het is alom aangetoond dat studenten het werken met ICT motiverender vinden dan
alternatieven.
 ICT zal de kwaliteit van presentaties door studenten van hun werk aanmerkelijk verbeteren,
omdat ze zelf hun multimediabronnen kunnen maken.
 Studenten zullen doorgaans actiever deelnemen en doorgaan met hun lab activiteiten, niet
alleen omdat ICT een nieuwe manier van leren biedt maar ook omdat ICT een aantal saaie
taken overbodig maakt, terwijl de onmiddellijke bereikbaarheid en de nauwkeurigheid van de
resultaten op zich ook bijdragen tot de motivatie.
Methodes om ICT in de klas te gebruiken
Één lesplan kan draaien om een aantal 'echte' experimenten, elk gekoppeld aan dataloggers die
onmiddellijk grafieken produceren, welke op hun beurt zichtbaar gemaakt worden via een overhead
projector of een netwerkscherm (in welk geval studenten uit andere landen de gegevens kunnen
downloaden voor eigen presentatie). Deze experimenten kunnen aangevuld worden met een aantal
simulaties zoals die op de SUPERCOMET2 CD ROM. Verder kunnen al deze demonstraties op video
opgenomen worden, waarbij de clips later voor alle studenten beschikbaar zijn. Hoewel het natuurlijk
een ideale situatie is om een lokaal vol computers op internet, whiteboards, digitale camera's,
projectieapparatuur en dataloggers te hebben, kunnen scholen deze inrichting vaak niet opbrengen. Dit
is niet altijd dramatisch: alternatieve werkmethodes die een beroep doen op actieve betrokkenheid van
de studenten en samenwerkend leren, kunnen heel effectief zijn. Barton (2004) doet de volgende
oplossingen aan de hand:
Demonstratieproeven
Demonstratieproeven die uitgevoerd worden met conventioneel materiaal (zoals kwikthermometers)
en tevens gemeten worden met dataloggers met directe grafische weergave, daarna gevolgd door het
werken met simulaties kunnen zeer werkzaam zijn, met name als leraren hun leerlingen voor het begin
van de proef gevraagd hebben voorspellingen (geschetste grafieken) te maken. U kunt deze
mogelijkheid benutten voor experimenten waarbij u niet wilt dat leerlingen met dure en kwetsbare
sensoren of gevaarlijke materialen (als vloeibare stikstof) omgaan. U kunt de grafieken zoals die
ontstaan zijn tijdens de proeven -en video-opnames van de proeven zelf– achteraf gebruiken om de
proeven na te beschouwen en met de studenten eerdere experimenten en demonstraties door te nemen.
Het gebruik van dataloggers naast standaard uitrusting
Als er meer dan één datalogger set beschikbaar is maar onvoldoende voor een hele klas, kan er ook
anders gewerkt worden. De leraar en/of een groep studenten kunnen gegevens verzamelen met de
datalogger, terwijl de rest van de klas de standaard uitrusting gebruikt. De resultaten kunnen daarna
met elkaar vergeleken worden. Dataloggers kunnen de mogelijkheden van de standaard uitrusting ook
uitbreiden door ze bijvoorbeeld metingen te laten doen buiten de normale lesuren om.
Stationspracticum en wisselactiviteiten
Als de uitrusting met dataloggers en/of de simulatiesoftware (bijv. de SUPERCOMET2 animaties)
beperkt is, kunt u ze altijd gebruiken als onderdeel van een stationspracticum of een andere les met
wisselactiviteiten. Een stationspracticum vraagt van de studenten dat ze in de klas steeds van de ene
praktische activiteit/experiment naar de andere gaan. Zo kunt u bijvoorbeeld een circuspracticum met
korte experimenten over elektromagnetische inductie opzetten, sommige met echte magneten,
koperdraad en galvanometers, andere met SUPERCOMET2. Een les met wisselactiviteiten is net
zoiets, maar dan ligt de nadruk op een niet-praktische activiteit zoals het invoeren, analyseren en
printen van gegevens.
Een ‘half-om-half’ les
U kunt een half-om-half les geven als u op enig moment niet meer computers ter beschikking heeft dan
nodig om de halve klas aan het werk te zetten. In deze situatie kunt u de andere helft aan een nietcomputer activiteit zetten zoals het doen van een experiment. De twee groepen kunnen dan halverwege
de les wisselen.
Gebruik van bestaande bronnen over supergeleiding
Een Google zoekopdracht over supergeleiding levert bijna vijf miljoen hits!!1
Het ligt voor de hand dat daar veel materiaal voor uw lessen bij zit. In deze paragraaf vind u wat
aanwijzingen over hoe u materiaal kunt vinden en daar de waarde van kunt bepalen. Aan het eind van
deze handleiding staat een paragraaf 'Meer hulpbronnen' om u bij de keuze te helpen.
Wat tips over het zoeken van natuurkunde informatie op het internet2
Het is doorgaans niet verstandig studenten onder lestijd naar nuttige internetbronnen te laten zoeken,
omdat dit veel tijd kan kosten en de leraar geen gelegenheid heeft om de kwaliteit ervan te beoordelen.
Het is vaak beter de studenten een vooraf uitgeprobeerde lijst van URL's te geven. Om daarvan binnen
afzienbare tijd een goede selectie te maken is echter niet eenvoudig. De volgende vragen kunnen u
daarbij helpen:
 Staat de informatie waar u naar op zoek bent in een encyclopedie? Zo ja, bezoek dan een online
encyclopedie waar u zowel nuttige links als andere informatie zult vinden.
 Kunt u de informatie op een specifieke plaats vinden? Zo staan plaatjes van de Maglev trein op
www.maglev-train.com, terwijl informatie over de deeltjesversneller in CERN op www.cern.ch
te vinden is..
 Mocht u daar niets vinden, probeer dan een map op de site van ASE (www.ase.org.uk) of op
www.supergeleiding.org
Als niets van het bovenstaande van toepassing is, moet u toch een zoekopdracht uitvoeren.
Tips over het gebruik van een zoekmachine
 Gebruik verschillende spellingen naast elkaar om te voorkomen dat u interessante bronnen
mist. Zoek bijvoorbeeld zowel naar ‘behavior’ als naar 'behaviour’.
 Varieer in benamingen. Zo kunt u zowel 'lesmateriaal' als 'leerbronnen' gebruiken.
 Gebruik meer dan één zoekmachine. Met één zoekmachine krijgt u geen volledig overzicht.
 Als u het internet voor kinderen wilt gebruiken, kunnen de volgende sites handig zijn:
– www.cybersleuth-kids.com
– www.factmonster.com
– http://kids.yahoo.com/
De waarde van informatie inschatten
1
2
Zoekopdracht van 3 Sept. 2007
Naar Fullick (2004)
BECTA (www.ictadvice.org.uk) adviseert het volgende om de waarde van websites in te schatten:
 Wordt er expliciet een onderwijskundige doelstelling aangegeven?
 Is de inhoud voldoende nauwkeurig, bij de tijd en uitgebreid, objectief of juist bevooroordeeld,
relevant voor de les, worden de juiste woorden gebruikt?
 Is de indeling intuïtief duidelijk, met goed georganiseerd materiaal en een duidelijke navigatie?
 Is de inhoud op zinvolle wijze interactief, wordt de leerling betrokken bij kernbegrippen en
worden niet alleen virtuele activiteiten aangeboden die net zo makkelijk of beter zonder de
computer kunnen, zoals het gooien van een dobbelsteen of het simuleren van magnetische
aantrekking?
 Geeft de bron voldoende ondersteuning en terugkoppeling?
 Stimuleert de bron samenwerkend leren door de leerlingen tot discussie uit te nodigen,
informatie en ideeën uit te wisselen en tot overeenstemming in de groep te komen?
 Is de bron technisch stabiel?
Het vinden, aanpassen en uitwisselen van
lesmateriaal over supergeleiding
Het vinden van lesmateriaal
Er komen steeds meer online databases en hulpbronnen voor lesmateriaal. Hoewel maar weinig
daarvan materiaal bevat dat specifiek over supergeleiding gaat, is er veel over magnetisme en
elektriciteit te vinden. Misschien kunt u uw eigen materiaal bijdragen?
 http://www.smete.org/ – Een online informatiebron voor studenten en leraren, ontwikkeld en
onderhouden door de SMETE Open Federation.
 www.practicalphysics.org – website voor leraren om experimenten uit te wisselen.
 www.physics.org – het Institute of Physics heeft een aantal links voor lesmateriaal over
supergeleiding
Het aanpassen van lesmateriaal
Als u eenmaal lesmateriaal gevonden heeft, is het raadzaam voor uzelf de volgende vragen te
beantwoorden:
 Past de bron bij de leerdoelen van het curriculum?
 Is het materiaal afgestemd op het niveau van uw leerlingen?
 Is de bron ingedeeld in 'brokstukken' die overeenkomen met uw lesschema's?
 Hoe makkelijk is het materiaal te gebruiken?
 Heeft u de juiste uitrusting en hardware om te bron te kunnen gebruiken?
 Is het materiaal toegankelijk? (Zie www.techdis.ac.uk voor advies)
Het ligt voor de hand dat u een aantal dingen in het bronmateriaal moet veranderen voordat het prettig
zal werken bij uw leerlingen.
Het delen en uitwisselen van materiaal
Als u nieuw leerling- en docentenmateriaal maakt over supergeleiding, waarom zou u dat dan niet
delen met anderen? Er wordt een nieuwe online SUPERCOMET vereniging opgezet – ga naar
www.supercomet.eu voor meer informatie.
Copyright kwesties
Controleer altijd de intellectuele eigendomsrechten van het materiaal dat u gebruikt. BECTA heeft een
nuttige handleiding op dit gebied (beschikbaar op http://schools.becta.org.uk/)
De natuurkunde van supergeleiding
1. Inleiding / Verschijnselen
Het begin van de ontdekking van supergeleiding werd gemarkeerd door een discussie over de
temperatuurafhankelijkheid van de weerstand van metalen. Volgens de klassieke theorie (P. Drude en
H.A. Lorentz) waren er twee mogelijkheden voor het limietgeval van het absolute nulpunt:
 Elektronen zullen op de atomen gaan condenseren;
het metaal zal een isolator worden bij T = 0 K.
 Er is geen condensatie; de weerstand gaat naar nul als de wortel van T.
Echter, experimenten onthulden dat geen van deze twee verwachtingen bewaarheid werd. Nadat Heike
Kamerlingh Onnes in 1908 succes had geboekt met het vloeibaar maken van helium (bij 4.2 K), kon
gemeten worden bij zeer lage temperaturen met als resultaat dat de weerstand van metalen naderde tot
een eindige waarde die sterk afhankelijk bleek van onzuiverheden in het metaal. Voor zeer zuivere
monsters zou de weerstand daarom naar nul gaan, omdat de waargenomen temperatuurafhankelijkheid
in verband gebracht kon worden met de temperatuurbeweging van de atomen. In 1911 werden
experimenten met zeer zuiver kwik gedaan met als resultaat dat de weerstand van kwik inderdaad
onmeetbaar klein werd, maar tegen de verwachting in ging ging de weerstand plotseling naar nul (H.
Kamerlingh Onnes kreeg voor zijn ontdekking de Nobelprijs in 1913).
Weerstand in Ω
0.125
0.10
0.075
Hg
0.05
0.025
10-5Ω
0.00
Temperatuur in K
4.00
4.10
4.20
4.30
4.40
Fig. 1: Weerstand van kwik: fase-overgang naar supergeleiding
Kort daarna werd ontdekt dat de weerstand boven een kritische stroomdichtheid weer eindig werd.
Een ander verschijnsel van supergeleiding is van magnetische aard – het zogenaamde "MeissnerOchsenfeld Effect": supergeleiders vertonen de eigenschap dat zij het aangelegde magneetveld
volledig verdrijven, onafhankelijk of het veld vóór of na de overgang naar supergeleiding is aangelegd.
Fig. 2: Meissner-Ochsenfeld-Effect
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:EfektMeisnera.svg
Een supergeleider gedraagt zich dus als perfect diamagnetisch materiaal. Er bestaat echter een
kritische magnetische veldsterkte waarboven de supergeleiding ineenstort. In feite is het juist dit
magnetische gedrag dat een materiaal bewijsbaar tot een supergeleider maakt.
Een fundamentele theoretische beschrijving kwam echter niet van de grond tot 1957, toen J. Bardeen,
L.N. Cooper en J.R. Schrieffer erin slaagden een consistente kwantumtheorie voor supergeleiding te
ontwikkelen (BCS-theorie). Een macroscopisch zichtbaar gevolg van de kwantumkarakter van
supergeleiding is het Josephson effect dat leidde tot de ontwikkeling van vele nieuwe technische
toepassingen.
Het hierboven beschreven magneetgedrag is kenmerkend voor zogenaamde Type I Supergeleiders, in
de meeste gevallen metaalelementen. Later werd een andere soort supergeleider gevonden genaamd
Type II Supergeleiders, vooral legeringen en chemische verbindingen. Zij vertonen twee kritische
magnetische veldsterktes: onder de eerste veldsterkte is het materiaal in de Meissner toestand (zoals
een Type I Supergeleider), tussen de eerste en de tweede veldsterkte is het in een zogenaamde
gemengde of Shubnikov toestand, en boven de tweede kritische veldsterkte wordt het materiaal weer
een gewone geleider. De tussenfase wordt gekarakteriseerd door de verschijning van flux wervels in
het materiaal, die elk een gekwantiseerde eenheid van magnetische flux ("fluxoïde") dragen. Als de
stroomwervels op hun plaats gehouden worden door kristalfouten of onzuiverheden (fluxverankering
of "vastpin-effect"), kan het materiaal vrij hoge magneetvelden verdragen en wordt dan een "Harde
Supergeleider" genoemd. Zulke materialen zijn daarom heel goed bruikbaar voor technische
toepassingen.
Tussen 1986 en 1993 is een nieuw type supergeleider ontdekt: de zogenaamde "Hoge-Temperatuur
(High-Tc) Supergeleiders". Zij worden gekenmerkt door zeer hoge kritische temperaturen, waarvan
sommige een redelijke marge boven het kookpunt van vloeibare stikstof liggen (77 K). J.G. Bednorz
en K.A. Müller kregen in 1987 de Nobelprijs toegekend voor het openen van het nieuw
onderzoeksterrein van deze supergeleiders. Inmiddels ligt de record kritische temperatuur rond de 160
K.
De meeste materialen van deze soort zijn keramisch en de natuurkunde achter hun supergeleiding is
nog niet volledig begrepen.
2. Elektrische eigenschappen
Supergeleiding beschrijft, zoals de uitdrukking al aangeeft, het verschijnsel dat een stuk materiaal een
perfecte geleider wordt met elektrische weerstand nul, en wel zeer plotseling beneden een bepaalde
temperatuur: de kritische temperatuur Tc. Normaal gesproken vindt de overgang plaats bij zeer lage
temperaturen net boven het absolute nulpunt. Hoe terecht is het om hier te spreken van het verdwijnen
van de weerstand? Ten tijde van de ontdekking lag de meetnauwkeurigheid rond 10-5, vandaag de dag
kan de weerstandsdaling bij de overgang naar supergeleiding gemeten worden met een
nauwkeurigheid van 10-14. Dit kan men doen door te kijken naar de afname van een stroom in een
supergeleidende ring (Kamerlingh Onnes gebruikte deze zeer gevoelige methode al in 1914): eerst
wordt een staafmagneet in de een ring gestopt die in zijn gewone toestand is, en daarna wordt de ring
afgekoeld tot beneden de kritische temperatuur van het materiaal. Als de magneet dan wordt
weggehaald, wordt er in de ring een stroom geïnduceerd. Als deze stroom afneemt met de tijd, is er
beslist sprake van weerstand van de geleider; indien niet, kan een bovengrens van de weerstand
worden bepaald.
Is
N
B
B
T > TC
T < TC
Fig. 3: Opwekking van een superstroom in een supergeleidende ring: eerst wordt de ring afgekoeld, dan wordt de magneet
weggehaald.
De lage weerstand van metalen is nauw verbonden met het feit dat het transport van lading in het
materiaal plaatsvindt door zogenaamde vrije elektronen. In feite zijn zij niet helemaal vrij omdat de
elektronen onderweg met elkaar botsen, wat aanleiding geeft tot een zogenaamde intrinsieke bijdrage
tot de weerstand (die bijna onafhankelijk van de temperatuur is), én met de ionen van het kristalrooster
botsen (wat eigenlijk elementaire roosterexcitaties oplevert die men fononen noemt). De laatste
bijdrage nu is sterk temperatuurafhankelijk. Waarom zou in een supergeleidend materiaal de energie
uitwisseling tussen de geleidingselektronen en het rooster plotseling verboden zijn? Het duurde bijna
tot 1930 voordat het idee begon post te vatten dat supergeleiding een macroscopisch kwantum
verschijnsel moest zijn. Vaste stoffen die onder normale omstandigheden goede geleiders zijn (zoals
koper, zilver, goud) worden vaak niet supergeleidend, terwijl veel slechte geleiders wél supergeleiders
kunnen worden. De reden voor de laatste constatering ligt in de sterke elektron-fonon verstrooiing die
bij slechte geleiders een rol speelt en leidt tot een grote weerstand in de gewone toestand, terwijl
hetzelfde effect ook verantwoordelijk is voor het mechanisme van supergeleiding. Ook het bestaan van
de beperkte stroomdichtheid (kritische stroom) die een supergeleider kan dragen is gekoppeld aan dit
mechanisme (zie paragraaf 4).
3. Magnetisch gedrag
Supergeleiders gedragen zich in een magneetveld heel anders dan (zelfs perfecte) metaal geleiders: een
supergeleider is een perfect diamagnetisch materiaal, de geïnduceerde magnetisatie compenseert het
aangelegde magneetveld volledig – maar slechts tot aan een kritische veldsterkte Bc (zie fig. 4a).
-4πM
B
Type 1
Bc
Meissner
Bc
Tc
B
a)
T
b)
Fig. 4: a) Geïnduceerde magnetisatie in een (Type I) supergeleider als functie van het aangelegde magneetveld
b) Afhankelijkheid van de kritische magnetische veldsterkte van de temperatuur
In 1935 ontdekten W. Meissner en R. Ochsenfeld het effect (dat later naar ze genoemd zou worden)
dat een magnetische flux altijd uit het supergeleidende materiaal verdreven wordt, onafhankelijk van
het feit of het magneetveld aangelegd was vóór of na de overgang naar supergeleiding. Het effect is
dus onafhankelijk van zijn voorgeschiedenis en is daardoor reversibel in de thermodynamische zin van
het woord. Supergeleiding is om die reden een echte thermodynamische toestand.
De afhankelijkheid van de kritische magnetische veldsterkte van de temperatuur kan zeer goed
benaderd worden met de eenvoudige uitdrukking (zie fig.4b)
Bc(T) = Bc(0) [1 – (T/Tc)²] .
Kort na de ontdekking van het Meissner-Ochsenfeld-Effect werd er een fenomenologische theorie van
de supergeleiding ontwikkeld door F. en H. London. Eén van voorspellingen ervan was dat het
magneetveld niet volledig tot aan het oppervlak van de supergeleider uitgedreven wordt, maar dat het
doordringt in een nauwe oppervlakteschil waarbinnen de compensatiestromen lopen. De
karakteristieke diepte van deze laag heet de London doordringdiepte L, en is typisch in de order van
50 nm. Het feit dat het gehele energietransport plaatsvindt binnen een nauwe oppervlaktelaag van een
supergeleidende draad kan gebruikt worden als praktische toepassing: duizenden dunne
supergeleidende draden opgesloten in een koper matrix kunnen stroom geleiden beneden de kritische
temperatuur. Zou om een of andere reden de supergeleiding echter verdwijnen dan kan het
kopermateriaal het stroomtransport overnemen en op die manier zorgen dat de draad heel blijft.
Als men de Bohr-Sommerfeld kwantisatie regel toepast op de stroom in een supergeleidende ring
(d.w.z., op een macroscopisch system!), krijgt men het resultaat dat de magnetische flux gekwantiseerd
is, dus dat de magnetische flux bestaat uit elementaire eenheden van "fluxoïden"
0 = h/2e0 = 2.07 x 10-15 Tm² (= Vs)
waarin h de constante van Planck is en e0 de elementaire eenheidslading. In feite komt in de noemer de
lading van de ladingsdragers voor die experimenteel is bepaald op twee keer elementaire
eenheidslading, wat aangeeft dat de elektronen in een supergeleider voorkomen in paren (dit zal in
meer detail worden uitgewerkt in de volgende paragraaf).
4. BCS-Theorie
De BCS-Theorie (waarvoor J. Bardeen, L.N. Cooper, en J.R. Schrieffer in 1972 de Nobelprijs kregen
toegekend) is een kwantum-mechanische veeldeeltjestheorie om supergeleiding in metalen te
verklaren. De experimentele constatering dat de kritische temperatuur sterk afhankelijk is van de
verhouding lichte/zware isotopen in het metaal ("isotopie effect") was een aanwijzing dat massaafhankelijke gekwantiseerde roostertrillingen (waarvan de kwanta fononen worden genoemd) een
wezenlijke rol spelen in de vorming van een supergeleidende toestand. Ook de waarde van een
energiesprong gevonden bij metingen van de soortelijke warmte in het elektronische excitatie spectrum
van supergeleiders beneden Tc wees op de vorming van elektronparen in de supergeleidende toestand.
De basisgedachte achter de BCS-Theorie berust op de vorming van zogenaamde Cooperparen
bestaande uit twee elektronen (met tegengestelde impuls en spin, zie beneden). Deze paarvorming kan
worden gerealiseerd als men een nieuwe, licht aantrekkende elektron-elektron wisselwerking
veronderstelt, gebaseerd op de emissie en absorptie van virtuele fononen. Een en ander kan worden
geïnterpreteerd als volgt: de emissie van een virtueel fonon door een elektron staat gelijk met een
afbuiging van de plaatselijke roosterionen en dus met de lokale polarisatie van het rooster. Als een
ander elektron deze polarisatiewolk betreedt, voelt het een aantrekkingskracht (door de absorptie van
het virtuele fonon), onafhankelijk van de Coulomb afstoting tussen de elektronen (het moet hier
worden opgemerkt dat de uitgewisselde fononen niet reëel kunnen zijn omdat een reëel fonon
aanleiding zou geven tot de overdracht van energie op het rooster, hetgeen weer een niet-verdwijnende
weerstand zou veroorzaken).
De resulterende vorming van Cooperparen is een dynamisch proces: het hangt af van de snelheid
waarmee het rooster de polariserende werking van de elektronen kan volgen, en dus spelen de massa’s
van de ionen een doorslaggevende rol. Dit verklaart het eerder genoemde isotopie effect in de kritische
temperatuur. Omdat het rooster veel trager reageert dan de elektronen die erdoor bewegen, strekt de
koppeling van het Cooperpaar zich uit over afstanden van 100 nm tot 1000 nm; deze afstand wordt de
"coherentie lengte" genoemd en kan opgevat worden als de gemiddelde omvang van het Cooperpaar.
Binnen deze afstand bevinden zich 106 tot 107 andere elektronen, eveneens als Cooperparen die
continu vervallen en weer gevormd worden.
Een kwantum-mechanische berekening toont aan dat alle Cooperparen een totale impuls nul hebben
(bij T = 0 K) en een tegengestelde spin. Daarom gedraagt elk Cooperpaar zich als een boson die bij
voorkeur allemaal in dezelfde kwantum-mechanische energie toestand zitten. Ook wordt het geheel
van alle paren beschreven door één enkele golffunctie die de hele supergeleider bestrijkt. De
bindingsenergie van een Cooperpaar is in de orde van een paar meV, veel kleiner dan de
bindingsenergie van elektronen in een metaal (enkele eV), waardoor koppeling van elektronen in
Cooperparen alleen mogelijk is als de thermische energie van het rooster klein is. Deze
bindingsenergie verklaart uiteraard de hierboven genoemde energiesprong in het elektronspectrum.
Net beneden de kritische temperatuur condenseert maar een klein gedeelte van de geleidingselektronen
in Cooperparen; bij het dalen van de temperatuur worden er steeds meer paren gevormd tot bij T = 0 K
alles gekoppeld is.
Als er een elektrisch veld wordt aangelegd krijgen alle paren dezelfde impuls zonder enige
wisselwerking met het rooster, hetgeen aanleiding geeft het waargenomen weerstandsvrije lading
transport. De hoeveelheid impuls die op de paren kan worden overgedragen is beperkt: op het moment
dat de kinetische energie van de paren hun bindingsenergie overtreft stort de supergeleiding ineen – dit
is de reden voor het bestaan van een kritische stroom. Ook magneetvelden kunnen alleen maar tot aan
een bepaalde veldsterkte toegepast worden, omdat de compensatiestroom anders de kritische waarde
zou bereiken.
Samenvattend kan men opmerken dat de BCS-Theorie slechts drie parameters nodig heeft om de
essentiële eigenschappen van supergeleiding in metalen uit te drukken: dat zijn de kenmerken van het
elektron deelsysteem (dichtheid van toestanden dichtbij het Fermi oppervlak), van het rooster
(karakteristieke fonon frequenties), en de sterkte van de elektron-fonon koppeling.
5. De Josephson effecten
In het geval twee supergeleiders verbonden zijn met een dunne laag niet supergeleidend materiaal (met
een dikte van maar een paar nanometer) voorspelt de kwantumtheorie een eindige waarschijnlijkheid
dat Cooperparen door de barrière (tunneljunctie) heen van de ene supergeleider naar de andere kunnen
tunnelen. Men zegt in dat geval dat de twee supergeleiders zwak gekoppeld zijn. Zo’n combinatie heet
een Josephson contact, genoemd naar Brian D. Josephson die het verschijnsel in 1962 theoretisch
voorspelde en die, na experimentele verificatie van zijn voorspellingen, in 1973 de Nobelprijs kreeg
toegekend. Het Josephson contact kan een supergeleider-isolator-supergeleider (SIS) of supergeleidergewone geleider-supergeleider (SNS) combinatie zijn, gemaakt worden door een dun supergeleidend
punt op een andere supergeleider te drukken, dan wel door een hele kleine samentrekking in een
supergeleidende film.
U
S
S
S
I
R
U0
Fig. 5: Josephson contact
Het feit dat alle Cooperparen in een supergeleider in dezelfde kwantum-mechanische toestand zijn,
houdt ook in dat de fase van de golffunctie van de paren goed bepaald is. Als er een spanning U0 over
het contact gezet wordt, zal er een weerstandsvrije superstroom Is (Josephson stroom) door gaan ter
grootte van
Is = Ic sin () .
Hierin is  het faseverschil tussen de golffuncties van de twee gekoppelde supergeleiders, analoog
aan het faseverschil tussen twee zwak gekoppelde mechanische slingers. De waarde van Is kan
verhoogd worden door de aangelegde spanning U0 te verhogen tot aan de kritische stroom Ic. Dit
verschijnsel heet het DC Josephson effect.
Als de stroom groter wordt dan Ic, zal er een spanning Us over de barrière (tunneljunctie) ontstaan,
d.w.z. er heeft zich dan een bepaalde weerstand ontwikkeld. Deze spanning betekent een
energieverschil tussen de Cooperpaar systemen ter grootte van
E = 2 e0 Us ,
wat volgens de kwantum-mechanica gelijkstaat aan een verschil tussen de interne frequenties van de
systemen van  = E/h. Als de twee systemen trillen met verschillende, maar in de tijd constante
frequenties, dan verandert het faseverschil ertussen lineair met de tijd als
(t) = 2  t = (2/0) Us t .
Hier verschijnt opnieuw het magnetische fluxkwant 0, waarvan de inverse 1/0 de Josephson
constante KJ wordt genoemd. Tengevolge hiervan stroomt er nu een super wisselstroom met de
zogenaamde Josephson frequentie
J = 2 e0 Us/h
door de tunneljunctie. Hiermee is het AC Josephson effect bereikt.
Josephson contacten worden gebruikt als buitengewoon snelle schakelelementen en nauwkeurige
spanningstabilisatoren. Daarenboven worden zij toegepast in meetapparatuur voor buitengewoon
kleine magnetische fluxen (SQUIDs = Supergeleidende Kwantum Interferentie Devices).
In het omgekeerde AC Josephson effect wordt er een wisselspanning met frequentie  gezet over het
Josephson contact (doorgaans door het te bestralen met microgolven). Dit veroorzaakt in discrete
stappen een spanning tussen de twee supergeleiders van de vorm
Un = n 0 ,
n = 1, 2, 3, ...
Zo werkt het Josephson contact dus als een perfecte omzetter van frequentie naar spanning. Om deze
reden wordt het wereldwijd gebruikt als constante standaard referentiespanning in nationale
metrologische instituten en in industriële ijklaboratoria.
Tot slot moet worden opgemerkt dat de Josephson effecten ook met succes gedemonstreerd zijn met
behulp van de nieuwe Hoge-Temperatuur Supergeleiders.
6. Type I / Type II Supergeleiders
Eerdergenoemde verschijnselen en hun theoretische interpretatie zoals beschreven in de paragrafen 2
tot en met 4 hebben betrekking op zogenaamde Type I Supergeleiders, die gekenmerkt worden doordat
ze beneden Tc en Bc een volledig Meissner-Ochsenfeld-Effect te zien geven: een aangelegd
magneetveld neemt exponentieel af binnen de London doordringdiepte waar een superstroom stroomt
om het inwendige veldvrij te houden. Boven de kritische veldsterkte Bc worden de Cooperparen
opgebroken en het materiaal wordt weer een gewone geleider. Materialen die dit gedrag vertonen zijn
meestal zuivere metalen die echter doorgaans gekenmerkt worden door lage waardes van de kritische
temperatuur en de kritische magnetische veldsterkte. Daarom zijn zij niet erg bruikbaar voor
technische toepassingen.
In tegenstelling daarmee, vertonen zogenaamde Type II Supergeleiders (meestal legeringen en
verbindingen) een ander gedrag onder magnetisatie: beneden een eerste kritisch magneetveld Bc1,
bevinden ze zich in een zogenaamde Meissner toestand en vertonen een volledig MeissnerOchsenfeld-Effect (zoals een Type I Supergeleider). Tussen dit kritische veld en een (doorgaans veel
hoger) tweede kritisch veld Bc2 laten zij een onvolledig Meissner-Ochsenfeld-Effect zien, wat betekent
dat een aangelegd magneetveld het materiaal kan binnendringen. Boven Bc2 stort de supergeleiding
ineen (zie fig. 6a).
-4πM
Bc2
Gewoon
B
Gemengd
Bc1
Bc1
Supergeleidend
toestand
Bc
Wervel
toestand
Meissner
Bc2
Gewone
toestand
B
Tc
a)
T
b)
Fig. 6: a) Geïnduceerde magnetisatie in een Type II supergeleider als functie van het aangelegde magneetveld
b) Afhankelijkheid van de kritische magnetische veldsterktes van de temperatuur
In de mengtoestand (gemengde, Shubnikov of wervelfase) is het energetisch gunstig dat er
stroomwervels met één magnetische fluxeenheid 0 in het materiaal bestaan. Deze stroomwervels zijn
in de gewone, geleidende fase en worden omgeven door supergeleidende gebieden waar
supergeleidende kringstromen lopen (zie fig. 7). Als het magneetveld toeneemt van Bc1 tot Bc2, komen
er steeds meer stroomwervels in het materiaal; omdat zij elkaar afstoten, ontwikkelt zich een geordend
twee-dimensionaal hexagonaal rooster van stroomwervels. Dit is ook feitelijk waargenomen onder de
microscoop.
Ba
Fig. 7: Tekening van stroomwervels in een Type II Supergeleider
De theoretische grondslag van deze verschijnselen is gelegd in het werk van V.L. Ginzburg en L.D.
Landau (1950) dat later is uitgebreid door A.A. Abrikosov (1957) en L.P. Gor'kov (1960). Abrikosov en
Ginzburg kregen in 2003 de Nobelprijs voor hun werk toegekend (Landau was al in 1968 overleden).
Men kan de essentiële eigenschappen beschrijven door te kijken naar karakteristieke lengteschalen:
eerst definieert men een effectieve coherentie lengte  die zowel afhangt van de "intrinsieke"
coherentie lengte 0 (dit is de "omvang" van een Cooperpaar), én van de gemiddelde vrije weglengte ℓ
van de elektronen in de gewone geleidingstoestand (hetgeen als volgt overeenkomt met het begrip
“weerstand”: kleine/grote ℓ betekent slechte/goede geleider) met de relatie:
1/ = 1/0 + 1/ℓ
Deze coherentie lengte moet vergeleken worden met de London doordringdiepte L. In een pure
supergeleider (met grote ℓ) isbij benadering gelijk aan 0 en veel groter dan L. Anderzijds kan  in
de "vervuilde limiet" met kleine ℓ, kleiner worden dan L waarbij de supergeleidende toestand zó
wordt aangepast dat een magneetveld in het materiaal kan doordringen, m.a.w. dit is een Type II
Supergeleider.
Dezelfde lengteschalen bepalen ook de kritische magnetische veldsterktes: Bc1 wordt vastgelegd door
L, en Bc2 door  en wel op zo’n manier dat hun product bij benadering gelijk is aan het kwadraat van
het "thermodynamische" kritische veld Bc (zie fig. 6a),
Bc1 Bc2  Bc2 .
In het ideale geval kunnen stroomwervels vrij bewegen door het materiaal, maar kristalfouten (als
korrelgrenzen, puntfouten e.d.) hebben de neiging ze vast op hun plaats te houden. Dit verankeren
(‘vastpin-effect’) heeft technische voordelen, omdat in dergelijke "Harde Supergeleiders" veel hogere
magneetvelden (van rond de 50 Tesla) gemaakt kunnen worden. Bovendien kan bijna de hele
dwarsdoorsnede gebruikt worden voor stroomtransport omdat er in grote delen van het materiaal een
magneetveld bestaat waardoor het materiaal tamelijk hoge kritische stromen kan hebben. Door de
materialen op de juiste manier te behandelen, kan men van een Type I Supergeleider een (harde) Type
II Supergeleider maken.
7. Hoge-Temperatuur Supergeleiders
Hoge-Temperatuur Supergeleiders zijn supergeleiders met een kritische temperatuur die behoorlijk wat
boven de 30 K ligt. Tot 1986 was de algemene overtuiging dat, volgens de BCS-Theorie,
supergeleiding boven de 30 K niet mogelijk zou zijn. Maar in dat jaar ontdekten J.G. Bednorz en K.A.
Müller supergeleiding in perovskiet, keramische materiaal met koperoxide (La2-xBaxCuO4) bij een
kritische temperatuur tussen 30 K en 40 K (daarvoor kregen zij in 1987 de Nobelprijs). Korte tijd later
werd ontdekt dat door het vervangen van lanthanium door yttrium, dus door het maken van
YBa3Cu3O7, de kritische temperatuur verhoogd kon worden tot 93 K. Dit materiaal, ook bekend als
YBCO of de 123-verbinding, is nu een van de meest uitvoerig bestudeerde hoge-temperatuur
supergeleiders.
Fig. 8: Ontwikkeling van de hoge-temperatuur supergeleiding
Op deze manier kwam afkoeling met vloeibare stikstof (kookpunt bij 77 K) binnen bereik, waardoor
technische toepassingen veel eenvoudiger en goedkoper werden. In de daarop volgende jaren werden
veel andere, verwante materialen ontdekt met zelfs nog hogere kritische temperaturen; het officiële
record (sinds maart 2007) staat op Tc = 138 K voor Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8. Onder hoge druk bereikt
de kwikverbinding HgBa2Ca2Cu3O8 zelfs een kritische temperatuur van boven de 160 K. Ook is er een
octrooi genomen op een materiaal met een kritische temperatuur van tegen de 150 K.
Jammer genoeg is het mechanisme achter de hoge-temperatuur supergeleiding nog steeds niet
ontraadseld, hoewel sommige gemeenschappelijke kenmerken van de hoge-Tc koperoxides al
gevonden zijn: alle koperoxides zijn zonder verontreiniging antiferromagnetische isolatoren, bij
verontreiniging worden ze metallisch en dus supergeleidend. De verontreiniging heeft een optimale
concentratie beneden of boven welke Tc lager is. De ladingsdragers van de meeste hoge-Tc
supergeleiders zijn gaten (= ontbrekende elektronen). De gemeenschappelijke structuurelementen zijn
CuO2 vlakken die hoofdzakelijk verantwoordelijk zijn voor de superstroom. Een mogelijke kandidaat
voor de vorming van Cooperparen (die van wezenlijk belang zijn voor de supergeleiding) zou een
antiferromagnetische spin-spin-wisselwerking kunnen zijn, terwijl fononen (zoals in de BCS-Theorie)
hoogstwaarschijnlijk uitgesloten zijn. Er wordt nog steeds hard gewerkt om een fundamentele theorie
van de hoge-temperatuur supergeleiding te vinden.
Tot slot: in 1964 werd de hypothese naar voren gebracht dat organische materialen supergeleiding
zouden vertonen bij zeer hoge kritische temperaturen. Deze verwachting is echter sindsdien niet
bevestigd, al zijn er wel organische supergeleiders gevonden met kritische temperaturen rond de 10 K.
Bronvermelding
Delen van dit artikel zijn in aangepaste vorm
overgenomen uit W. Buckel en R. Kleiner,
Supergeleidivity: fundamentals and
applications, Wiley, Weinheim (2003), met
name enkele figuren.
Ook een manuscript van C. Ambrosch-Draxl
voor een college over supergeleiding aan de
Universiteit van Graz was heel nuttig. Figuren
2, 4a en 6a zijn overgenomen uit Ch. Kittel:
Introduction to Solid State Physics, 7th ed.,
Wiley, New York (1996).
Figuur: 3D-model van YBCO
http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:YBCO-3Dballs.png
De modules
Overzicht
Wat is de wetenschappelijke achtergrond van supergeleiding?
Magnetisme
Elektromagnetische inductie
Elektrische geleiding
Wat is supergeleiding?
Inleiding in de supergeleiding
Waar is supergeleiding goed voor?
Toepassingen van supergeleiding
Kan men op school werken met supergeleiders?
Activiteiten met supergeleiders
Welke mensen zijn met supergeleiders bezig?
Geschiedenis van de supergeleiding
Waar bestaan supergeleiders uit?
Supergeleidende materialen
Hoe werkt supergeleiding?
Uitleg over supergeleiding
Magnetisme
Deze module legt het verband tussen magnetische krachten die in de natuur voorkomen en eenvoudig
waarneembaar zijn en het begrip magnetisch veld. Sommige materialen zijn van nature magnetisch,
andere zijn dat niet. Magnetische materialen worden soms magneten genoemd, en magneten worden
omgeven door magnetische velden.
De gebruiker kan de magneetvelden van draadwindingen en spoelen onderzoeken. De module laat ook
de verschillende magnetische eigenschappen van ferro-, para- en diamagnetische materialen zien.
 Magneetveld rondom een rechte stroomdraad
 Magneetveld rondom magneten
 Magneetveld rondom draadwindingen
 Magnetische krachten
 Lorentzkracht op een draad
 Dia-, para- en ferromagnetisme
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te kunnen werken, zouden de leerlingen al moeten weten (of
kennen) dat:
1. er in de natuur een kracht bestaat die magnetisme wordt genoemd, dat magneten polen hebben,
en dat magneten elkaar van afstand kunnen aantrekken of afstoten
2. magneetvelden gebieden rondom en in een magneet zijn waar magneetkrachten voelbaar zijn
3. de magnetische veldlijnen in en uit de polen van de magneet lopen
4. een elektrische stroom door een draad een magneetveld produceert rondom die draad
5. basisbegrippen van elektrische circuits kennen
Leerdoelen
Op grond van het werken met het SUPERCOMET2 materiaal, zullen de leerlingen de volgende kennis,
begrip en vaardigheden hebben verworven:
Kennis
 weten dat de Aarde een magnetisch veld heeft

weten dat elektriciteit en magnetisme twee kanten van dezelfde medaille (hetzelfde
verschijnsel) zijn

weten dat een elektrische stroom altijd een magnetisch veld veroorzaakt

weten dat het magneetveld om een spoel sterke gelijkenis vertoont met het veld van een
staafmagneet

de verschillende eigenschappen van paramagnetische, diamagnetische en ferromagnetische
materialen kunnen benoemen

weten dat een ferromagnetisch materiaal kan worden gemagnetiseerd door een extern
magneetveld en zijn magnetisatie kan verliezen als het voldoende sterk verhit wordt
Begrip

de betekenis van de proef van Ørsted kunnen beschrijven

de betekenis van de proef van Ampère kunnen begrijpen

de voorwaarden waaronder in de proef van Pohl een kracht optreedt kunnen verklaren

kunnen beschrijven hoe de vorm van het magnetische veld van een spoel uit die van een
rechte stroomdraad af te leiden valt

de betekenis van het gebruik van een ferromagnetische kern in een elektromagneet kunnen
beschrijven

een vereenvoudigde samenvatting kunnen geven de domeintheorie van het magnetisme
Vaardigheden
 de rechterhandregel toe kunnen passen om de richting van het magneetveld rondom een
stroomdraad te bepalen

de magneetvelden kunnen tekenen om magneten met een standaard vorm (staafmagneten,
hoefijzermagneten)

het idee van Weiss-domeinen toe kunnen passen om de eigenschappen van magneten te
verklaren
Kennistoets
 Geef twee eigenschappen van een magneet!

Geef twee toepassingen van een elektromagneet!

Wat vertelt de proef van Ørsted ons?

Teken magneten die de
getoonde magneetvelden
kunnen produceren!

Hoe kan het experiment van
Ampère worden gebruikt
voor de definitie van de
eenheid van elektrische
stroom?

Welke variabelen
beïnvloeden de grootte van
de kracht in het experiment
van Pohl?

Met het experiment van Pohl
kun je een soort motor
simuleren. Beschrijf hoe dat gaat?

Geef twee voorbeelden van het verband tussen elektriciteit en magnetisme.

Welk verschil heb je gezien tussen de veldlijnen van het magneetveld afkomstig van een draad
en de veldlijnen die door een magneet geproduceerd worden?

Het magneetveld wordt beschreven door de magnetische inductie vector (B): welk verband is
er denk je tussen deze vector en de veldlijnen? Welk verband heeft de vector B volgens jou met
de kracht die een draad voelt met lengte l en stroomsterkte I, die op zo’n manier door het
magneetveld loopt dat hij een hoek Θ maakt met de veldlijnen?

Heb je opgemerkt dat er een sterke overeenkomst bestaat tussen de veldlijnen van een spoel en
van een staafmagneet? Kun je iets zeggen over de veldlijnen in het inwendige van een
magneet? Wat zal de richting daarvan zijn? (verklaar je antwoord graag)

Wat is er bijzonder aan de veldlijnen die suggereren dat het magneetveld in een spoel kan
worden beschouwd als homogeen (uniform)?

Verklaar de richting van het magneetveld door toepassing van de rechterhandregel.

Beschrijf de verschillende eigenschappen van paramagnetische, diamagnetische en
ferromagnetische materialen.

Denk je dat een ferromagnetisch lichaam wordt aangetrokken of afgestoten door een magneet?
En hoe is dat bij een diamagnetisch lichaam? (verklaar graag je antwoord)

Bekijk hoe ferromagnetische en magnetische materialen (magneten) zich gedragen als zij in de
buurt van een magneet komen. Probeer in dit experiment thuis of in de experimenteerruimte
materialen uit die gemaakt zijn van uiteenlopende stoffen (als hout, rubber, ijzer, aluminium,
koper, andere magneten…) en noteer de overeenkomsten en verschillen. Welke hypothese zou
je kunnen opstellen over de verbanden die je hebt waargenomen?

Hoe kun je van een stuk ijzer een magneet maken? Geef twee manieren waarmee een magneet
kapot kan gaan!

Waarom worden er ferromagnetische kernen gebruikt in elektromagneten?

Verklaar de oorsprong van het magnetisme in ijzer vanuit het concept van “Weiss-domeinen”.

Welk soorten metalen worden supergeleidend als ze afgekoeld worden?
Elektromagnetische inductie
Deze module maakt gebruik van animaties om elektrische en magnetische verschijnselen met elkaar in
verband te brengen. Magneten en spoelen kunnen gebruikt worden om magnetische energie in
elketrische om te vormen via inductie, juist zoals een magnetisch veld gevormd wordt door bewegende
ladingen in een elektrische stroom. Beide energietransformaties vinden plaats in een
spanningstransformator.
.

Inductie door beweging

Inductie door verandering van flux

Evenredigheid van de flux, de wet van Lenz

Toepassingen van inductie

Experimenten met inductie
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te werken zouden de leerlingen al het volgende moeten
kunnen:
1. de concepten “magnetisch veld”, “magnetische kracht” en magnetisme” gebruiken
2. inzien dat een geladen deeltje een elektrisch veld in zijn buurt opwekt
3. inzien dat elektronen in een geleider bewegen
4. inzien dat elektriciteit en magnetisme twee uitingen zijn van hetzelfde fenomeen
5. inzien dat een elektrische stroom een magnetisch veld opwekt
Leerdoelen
Op basis van het SUPERCOMET2 materiaal zullen de leerlingen het volgende leren:
Kennis
 de termen inductie, spoel, circuit, stroom, magnetische flux, generator, rotor, stator en
dynamo gebruiken

inzien dat een wisselstroommotor in principe een invers gebruikte wisselstroomgenerator is

toepassingen van inductie of inductiespoelen in het dagelijkse leven herkennen
(transformatoren, elektrische motoren en generatoren, luidsprekers, microfoons,...)
Begrip

Beschrijf het verschijnsel inductie

Beschrijf met behulp van inductie hoe een elektromagneet werkt

Beschrijf in termen van inductie, magneet, spoel en rotatie hoe een wisselstroomgenerator
werkt
Kennistoets
 Wat is de definitie van de flux van een magnetische inductie vector? Omschrijf de betekenis
van de de gebruikte symbolen en licht je antwoord toe aan de hand van een diagram. In het
Internationale Eenhedensysteem S.I., wordt de eenheid van flux Weber (Wb) genoemd. Wat is
het verband tussen de Wb en Tesla?
 Beschouw een spoel die niet verbonden is met een stroombron. In welke van de volgende
situaties wordt er in de spoel een stroom opgewekt: (i) als de flux in de spoel constant is; (ii)
als de flux toeneemt; of (iii) als de flux afneemt?
 Zou er in een generator, als in plaats dat de spoel om de magneet draait, de magneet om de
spoel zou worden gedraaid, nog steeds een stroom in de spoel worden opgewekt? Verklaar je
antwoord.
 Wat zegt de wet van Lenz?
 Is een transformator een apparaat dat gelijkstroom in wisselstroom omzet en omgekeerd?
Indien wel, verklaar de principewerking, indien niet, omschrijf de functie van het apparaat.
 Nu weten we dat een elektrische stroom een magnetisch veld opwekt en dat een magneetveld
een elektrische stroom kan opwekken. Wat zijn de overeenkomsten en verschillen tussen
beide?
Elektrische geleiding
Deze module maakt gebruik van animaties om elektrische geleiding te visualiseren. Sommige
materialen geleiden elektrische stroom, andere zijn isolatoren. Andere zijn halfgeleiders, en nog andere
zijn supergeleidend.

Soorten geleiders

Deeltjes- & Bohrmodellen

Driftsnelheid

De wet van Ohm

Weerstandsfactoren

Weerstand en temperatuur
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te werken zouden de leerlingen al het volgende moeten
kunnen:
1. de concepten “elektriciteit”, “elektrische stroom” enz. gebruiken
2. begrijpen dat een lichaam geladen wordt wanneer het een teveel of een tekort aan elektronen
heeft
3. een atoom beschrijven met het schillenmodel
4. een rechtevenredig of omgekeerd evenredig verband tussen grootheden herkennen
5. de termen warmte en temperatuur gebruiken
Leerdoelen
Op basis van het SUPERCOMET2 materiaal zullen de leerlingen het volgende leren:
Kennis

de termen geleider, halfgeleider, weerstand, isolator, doorsnede, soortelijke weerstand,
geleidbaarheid, temperatuurscoëfficiënt, gemiddelde vrije weglengte, rooster, ladingsdrager,
elektronen, gaten, ionen, energieverlies gebruiken

elektronen, elektrongaten en ionen zien als ladingsdragers

bekende geleiders, isolatoren en halfgeleiders herkennen
Begrip

de relatie tussen de kinetische energie van de deeltjes in het rooster (temperatuur) en de
weerstand van het materiaal beschrijven

het verband tussen spanning, stroom en weerstand kunnen omschrijven (de eerste wet van
Ohm)

het verband tussen weerstand, dwarsdoorsnede, lengte en soortelijke weerstand van het
materiaal kunnen omschrijven (weerstandswet of tweede wet van Ohm)
Vaardigheden

de wet van Ohm gebruiken in numerieke problemen

de wet van Joule gebruiken bij berekeningen over vermogensverliezen

de wet van Pouillet gebruiken bij berekeningen van de weerstand van een draad
Mogelijke discussie onderwerpen
1.Hoeveel energieverlies is er door warmteafgifte tussen bron en eindgebruiker?
2. Vergelijk de grootte van dit energieverlies met allerlei maatregelen die energieverlies in een
huishouden moeten beperken
3. Hoeveel energie kan er nog bijkomend uitgespaard worden door een nog hogere spanning aan te
leggen op de hoogspanningslijnen?
Kennistoets

Wat is een elektrische stroom?

Definieer stroomsterkte. Welke eenheden worden daarvoor gebruikt?

Hoe kunnen we materialen indelen naar hun gedrag bij elektrische stromen?

Waarom zijn metalen goede geleiders?

Wat is volgens afspraak de richting van de elektrische stroom?

Wat is er nodig om een stroom tussen twee punten te krijgen?

Definieer de elektrische weerstand R tussen twee punten van een geleider.

Van welke inwendige factoren van een stuk geleider hangt zijn elektrische weerstand af? Druk
R uit als een functie van deze factoren.

Een stuk koperkabel heeft een lengte van 5 cm en een doorsnede van 0,5 mm2. De soortelijke
weerstand van koper is 1,7·108 ·m. Als er een spanningsverschil van 4 V staat over de
uiteinden van dit stuk, welke stroomsterkte gaat er dan doorheen?

Wat zegt de wet van Ohm?

Gedragen alle materialen zich volgens de wet van Ohm? Als sommige dat niet doen, waarom
niet?

Teken schematisch (met standaard symbolen voor de elementen van de elektrische kring) een
stroomkring met een batterij, een weerstand, een stroommeter om de stroom door deze
weerstand te meten en een voltmeter om het spanningsverschil tussen de uiteinden van de
weerstand te meten.
V
Deze grafiek toont, voor twee geleiders A en B, het
verband tussen het spanningsverschil V tussen de
A
uiteinden en de stroomsterkte I. Wat kun je over allebei
B
zeggen?

I

Wanneer een elektrische stroom door een geleider loopt,
wordt deze verwarmd. Waar vindt de energieoverdracht plaats?

Geef de wet van Joule voor de hoeveelheid warmte Q die in een geleider wordt geproduceerd,
als functie van de stroomsterkte I die erdoor loopt, zijn weerstand R en het beschouwde
tijdsinterval t.

Hoe zal de weerstand van een geleider veranderen als gevolg van een toename van de
temperatuur? Wat is de verklaring voor deze verandering?
Geschiedenis van de supergeleiding
Deze module presenteert de wetenschappers achter het ontdekken van de supergeleiding en de
theorieen erover: wat deden zij om de Nobelprijzen in de wacht te slepen die aan ze werden toegekend
voor hun onderzoek in de supergeleiding door de geschiedenis heen. Er wordt een korte inleiding
gegeven voor de huidige wetenschapsteams die aan supergeleiding werken. Het belang van de
verhoging van de kritische temperatuur in 1987 wordt besproken, en tevens waarom hoge-Tc
supergeleiders een belangrijk effect op de maatschappij kunnen hebben.






Ontdekking van supergeleiding
Model voor supergeleiding
Theorie over supergeleiding
Supergeleiding in organische materialen
Supergeleiding in keramische materialen
Het ontwikkelen van toepassingen
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te werken moeten de leerlingen al:
1. begrijpen dat er een verschijnsel als supergeleiding bestaat
2. inzien dat supergeleiding verband houdt met elektriciteit en magnetisme
3. de eigenschappen van supergeleiding kennen (geen weerstand en geen magnetische
permeabiliteit).
4. inzien dat koelen tot onder de kritische temperatuur noodzakelijk is
Leerdoelen
Op basis van het SUPERCOMET2 materiaal moeten de leerlingen:
1. enkele belangrijke ontdekkingen en theorieën over supergeleding kennen
2. enkele wetenschappers kennen en de samenwerking die aan de basis ligt van deze
ontdekkingen en theorieën begrijpen
3. inzien dat nog steeds inspanningen gedaan worden om onze kennis op experimenteel vlak en
op het vlak van de theorie te vergroten
4. kunnen beschrijven hoe de betrokken geleerden hun gegevens verzamelden en interpreteerden
5. kunnen beargumenteren hoe de supergeleidingstheorieën voor ‘lage’ en ‘hoge’ temperaturen
steeds verband houden met proefondervindelijke resultaten
6. kunnen bespreken of ontwikkelingen op het gebied van supergeleiding gestuurd zijn door het
experiment of door de theorie
Kennistoets
 Hoe heeft Heike Kamerlingh Onnes de supergeleiding ontdekt in 1911?
 Waarom werd de supergeleiding voor het eerst ontdekt in kwik (Hg)?
 Waarom moest Onnes vloeibare helium gebruiken om het kwik af te koelen?
 Waarom wordt er vloeibare stikstof gebruikt om hoge-temperatuur supergeleiders af te koelen?
 Waarom heeft het na de ontdekking van de lage-temperatuur supergeleiding zoveel jaar
geduurd voordat de hoge-temperatuur supergeleiders werden ontdekt?
 Wat is het basisidee achter de zogeheten “BCS-theorie”?
 Geef twee toepassingen van supergeleiders op verschillende gebieden
Voorgestelde virtuele laboratoria
Ontdek de supergeleiding in verschillende materialen
Doe het historische experiment van Heike Kamerlingh Onnes over met verschillende materialen en
koelmiddelen. Meet de elektrische weerstand als functie van de temperatuur.
Meet de magnetische permeabiliteit in verschillende materialen
Doe het historische experiment over waarmee het Meissner effect ontdekt werd. Gebruik verschillende
materialen en koelmiddelen, en meet de magnetische permeabiliteit als functie van de temperatuur.
Voorgestelde lesactiviteiten
De bovenstaande leerdoelen kunnen verbonden worden met sommige leeractiviteiten en werkvormen:
1. Organiseer een discussie over de vraag: “Wat zou er gebeuren als supergeleiding morgen
ontdekt werd in plaats van in 1911?”
2. Organiseer een discussie over de vraag: “Is het mogelijk dat supergeleiding (ontdekt in 1911)
tot nu toe niet ontdekt zou zijn, en waarom?”
3. Organiseer een discussie over de vraag: “Wat was er gebeurd als de keramische HTS door
omstandigheden eerder ontdekt waren dan de metallische LTS?”
4. Organiseer een discussie over de vraag: “Wat zou er gebeuren als de keramische HTS morgen
ontdekt zouden worden in plaats van in 1986?”
5. Organiseer een discussie over de vraag: “Is het mogelijk dat hoge temperatuur supergeleiding
(ontdekt in 1986) tot nu toe niet ontdekt zou zijn, en waarom?”
6. Organiseer een discussie over de vraag: “Wat zou er gebeurd zijn als de BCS theorie voor LTS
gepubliceerd zou zijn vóórdat de LTS ontdekt werden?”
7. Stel je voor wat er gebeurt wanneer morgen supergeleiding bij kamertemperatuur zou ontdekt
worden.
8. Lees boeken en artikelen over supergeleiding en het onderzoek ernaar.
Inleiding in de supergeleiding
In deze module wordt het concept van supergeleiding en de relatie met magnetisme en elektriciteit
ingeleid. De belangrijkste supergeleidingsverschijnselen worden overlopen, de eigenschappen van de
verschillende soorten supergeleiders de de theoretische achtergrond ervan.




Soortelijke weerstand nul
Kritische temperatuur
Perfect diamagnetisme
Stabiel optillen en zweven
Voorkennis
Om gemakkelijk met “Inleiding in de supergeleiding” te werken zouden de leerlingen al:
1. een praktische kennis van elektriciteit en magnetisme moeten hebben
2. het verschil tussen geleiders, isolatoren en halfgeleiders herkennen en voorbeelden geven van
elk.
3. het verband tussen weerstand en temperatuur bij normale geleiders kunnen uitleggen,
inbegrepen het begrijpen van roostertrillingen en interne energie van een rooster.
Leerdoelen
In verband met de verschijnselen
Aan het eind van deze module moeten de leerlingen:

geïntrigeerd zijn door het gedrag van supergeleiders

elektrische en magnetische verschijnselen bij supergeleiders kunnen beschrijven

het gedrag van supergeleiders met dat van halfgeleiders en ‘gewone’ geleiders kunnen
vergelijken

het verschil tussen ‘gewone’ magneten en magnetische eigenschappen van supergeleiders
kunnen herkennen

de volgende termen in verband met supergeleiding kunnen duiden: geleidbaarheid,
keramische materialen, zeldzame aardmetalen, kritische temperatuur, kritisch magnetisch
veld, kritische stroomdichtheid, diamagnetisme, faseovergang, levitatie, Meissner effect,
vasthechten, type I en typeII

voldoende begrip hebben opgebouwd van de achtergrond van verschijnselen van
supergeleiding om te kunnen verklaren waarom er supergeleiders gebruikt worden in MRI
apparatuur en hersenscans in ziekenhuizen en ook bij magnetische zweeftreinen.
In verband met de theorie
Aan het eind van deze module moeten de leerlingen:
 enkele onopgeloste theoretische vraagstukken herkennen waarvoor de wetenschappers zich
(nog steeds) door supergeleiding geplaatst zien

bestaande kennis van elektriciteit, elektromagnetisme, roostertrillingen en interne energie
kunnen gebruiken om een aantal verklaringen te begrijpen

inzien dat het gedrag bij lage temperaturen beheerst wordt door de kwantummechanica, en
dat het soms niet met eenvoudige terminologie kan verklaard worden

begrijpen dat ze de volgende termen moeten gebruiken in verklaringen van supergeleiding:
driftsnelheid van elektronen, wervelstromen, indringdiepte van magnetische veldlijnen,
Cooperparen, fononen, wervels, fermionen, bosonen.
Kennistoets
1. In hoeveel klassen kan de wisselwerking van verschillende soorten materialen met een magneet
worden onderverdeeld? Waarin verschillen zij van elkaar?
2. Steeds als de magnetische flux in een gesloten kring verandert, wordt er een stroom geïnduceerd en
dit verschijnsel houdt net zolang aan als de flux varieert.
a. Is deze zin altijd juist?
b. Verklaar je antwoord.
3. In geleiders en in het algemeen in metalen, verandert de weerstand met de temperatuur. Als de
temperatuur toeneemt, daalt de weerstand. Waarom?
4. Met supergeleiding wordt het verdwijnen van de soortelijke weerstand bedoeld, iets dat bepaalde
materialen vertonen beneden een bepaalde kritische temperatuur Tc. Is de overgang van een
materiaal naar een supergeleidende toestand een reversibel of een irreversibel proces? Verklaar je
antwoord.
5. Denk je dat een gemagnetiseerde gewone geleider – in een toestand van ‘perfecte geleiding’ (T <
Tc) gebracht– en een supergeleider die in een magnetisch veld gestopt wordt en vervolgens tot
beneden de kritische temperatuur wordt afgekoeld, zich op dezelfde manier gedragen? (Merk op
dat een supergeleider beneden zijn kritische temperatuur die zich in een magnetisch veld bevindt,
een perfecte diamagneet wordt). Verklaar je antwoord.
6. Waarom is het elektrische veld binnen een supergeleider die beneden de kritische temperatuur
afgekoeld is, gelijk aan nul?
7. Hoe kunnen supergeleiders in groepen worden onderverdeeld, en waardoor worden deze groepen
gekenmerkt?
8. Wat zijn de kritieke verschillen tussen de supergeleidende toestand en de normale toestand van een
materiaal die zijn gedrag bepalen?
9. De grafieken (a) en (b) hieronder laten het verband zien tussen de soortelijke weerstand en de
temperatuur voor geleiders en supergeleiders.
a. Welke grafiek laat wat zien?
b. Wat is het verschil in het verband tussen de soortelijke weerstand en de temperatuur in
een supergeleider en een gewone geleider?
10. In welke commerciële sectoren worden er supergeleiders gebruikt?
11. Welke moeilijkheden komt men tegen bij de fabricage van de technologische componenten waarin
supergeleiders gebruikt worden?
Toepassingen van supergeleiding
Deze module stelt het effect van supergeleiding en supergeleidertechnologie op de maatschappij aan
de orde, met de huidige grootschalige en kleinschalige toepassingen in het onderzoek, transport en
voortstuwing, geneeskunde en de industrie. In de module verder ook aan bod de mogelijkheden voor
toekomstige toepassingen die verband houden met de productie, opslag en transport van energie,
evenals de voortbeweging en transport bij boten, auto’s, vliegtuigen en treinen. Verwijzingen naar de
modules Inleiding en Geschiedenis van de supergeleiding.







Sneller, schoner en veiliger transport van energie
Schonere opslag van energie
Schonere productie van energie
Medische beeldvorming die sneller en pijnlozer is
Nauwkeuriger wetenschappelijke metingen
Het meten van energiegebruik
Effectievere draadloze communicatie
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te werken moeten de leerlingen al:
 begrijpen dat er een verschijnsel zoals supergeleiding bestaat
 inzien dat supergeleiding verband houdt met elektriciteit en magnetisme
 de eigenschappen van supergeleiding kennen (geen weerstand en geen magnetische
permeabiliteit).
 inzien dat koelen tot onder de kritische temperatuur noodzakelijk is
 weten dat magnetische veldlijnen de polen van een magneet in-, respectievelijk uitgaan.
Leerdoelen
Na het werken met deze module moeten de leerlingen:
1. een aantal belangrijke, actuele en grootschalige toepassingen van supergeleidingtechnologie
kunnen noemen
a. commerciële (elektromotoren, voedselscanners)
b. wetenschappelijke (deeltjesversnellers)
c. medische (MRI)
d. LTS versus HTS (welke soort wordt waar gebruikt, en waarom)
2. een aantal belangrijke, actuele en kleinschalige toepassingen van supergeleidingtechnologie
kunnen noemen
a. commerciële (zijn die er wel?)
b. wetenschappelijke (Josephson contacten)
c. medische (SQUID)
d. LTS versus HTS (welke soort wordt waar gebruikt, en waarom)
3. kunnen beschrijven hoe supergeleiding bijdraagt aan het dagelijks leven van iedereen
4. kunnen beschrijven hoe supergeleiding wetenschappers en andere specialisten helpt
5. belangrijke gebieden kunnen noemen waarop toekomstige toepassingen ingepland zijn, in
samenhang met de daarbij behorende voorwaarden
a. energieoverdracht (SC kabels)
b. energieproductie (fusiereactoren)
c. energieomzettingen (elektromagneten, elektromotoren)
d. transport (Maglev treinen, ruimteliften, elektromagnetische voortstuwing van water)
6. de uitdagingen kennen die overwonnen moeten worden voordat toekomstige toepassingen
werkelijk kunnen plaatsvinden
Kennistoets
1. Wat is magnetische levitatie?
2. Wat is beeldvorming met (kern)magnetische resonantie (MRI)?
3. Waarom zijn supergeleiders superieur aan gewone geleiders in sommige toepassingen?
4. Hoe worden hoge-temperatuur supergeleiders gebruikt in de zendstations voor mobiele
telefonie?
5. Wat is het verschil tussen grootschalige en kleinschalige toepassingen?
Mogelijke lesactiviteiten
Deze kunnen gekoppeld worden aan bepaalde activiteiten of scenario’s die het leren bevorderen:
1. Doe de zweefproef en bespreek hoe deze voor praktische doeleinden gebruikt kan worden.
2. Bespreek de maatschappelijke weerslag die de ontdekking van de supergeleiding heeft.
3. Bespreek hoe de wereld eruit zou zien als we de supergeleiding nog niet hadden ontdekt.
4. Bespreek of het wel of niet zou kunnen dat supergeleiding nog niet ontdekt is en leg dat uit.
5. Bespreek mogelijke voor- en nadelen van elk van de actuele toepassingen.
6. Bespreek mogelijk gebruik voor toekomstige toepassingen, en de voor- en nadelen.
7. Schrijf een verhaal over een toekomstige wereld waarin HTS toepassingen heel gewoon zijn.
8. Geef commentaar op het “toekomstverhaal” van een medeleerling. Zou dit echt kunnen
gebeuren? Waarom/waarom niet?
9. Schrijf een brief naar een subsidiegever, waarin je uitlegt waarom je subsidie zou moeten krijgen
voor een project dat je gekozen hebt en beschrijf het project, bijvoorbeeld voor zuiver
wetenschappelijk onderzoek of voor de ontwikkeling van een bepaalde toepassing.
10. Beoordeel namens de subsidiegever, de brief van een medeleerling. Krijgt hij/zij geld?
Waarom/waarom niet? Als hij/zij geen geld krijgt, welke verbeteringen zouden zij dan moeten
aanbrengen?
Supergeleidende materialen
Deze module laat zien hoe metalen elementen de eerste materialen met supergeleidende eigenschappen
zijn die door wetenschappers zijn ontdekt. De verschillen tussen de supergeleidende materialen
worden uitgelegd aan de hand van de plaats van de betreffende elementen in het periodiek systeem en
hun schei- en natuurkundige eigenschappen.
De ontdekking van supergeleidend keramiek, cupraten of koperoxides, wordt besproken en tevens hoe
de superstroom makkelijker loopt door de roosterstructuur. Er wordt ook kort uitgelegd dat er tot
vandaag de dag geen echte theorie is voor de feitelijke werking van de hoge-temperatuur
supergeleiders. Tot slot wordt de ontdekking genoemd van een metalen legering met een hogere
kritische temperatuur dan enige daarvoor ontdekt type I supergeleider, en welke aanslag dit kan
betekenen voor de BCS theorie.






Welke materialen zijn supergeleidend?
Eigenschappen van supergeleiders
Lage- en hoge-temperatuur supergeleiders
Type I en type II supergeleiders
Materialen die niet supergeleidend zijn
Structuur van keramische koperoxides
Voorkennis
Om met het SUPERCOMET2 materiaal te werken zouden de leerlingen al het volgende moeten
kunnen:
1. weten dat er een verschijnsel met de naam supergeleiding bestaat
2. weten dat supergeleiding verband houdt met elektriciteit en magnetisme
3. op de hoogte zijn van de kenmerken van supergeleiding (soortelijke weerstand nul, weerstand
nul, magnetische permeabiliteit)
4. de noodzaak inzien om supergeleidende materialen beneden hun kritische temperatuur af te
koelen.
5. weten dat magnetische veldlijnen de polen van een magneet in-, respectievelijk uitgaan.
Leerdoelen
Na het werken met deze module moeten de leerlingen:
1. op de hoogte zijn van het feit dat bijna alle metalen LTS zijn
2. op de hoogte zijn van het feit dat edelmetalen geen LTS zijn
3. op de hoogte zijn van het feit dat HTS keramisch zijn en dus boven hun Tc isolator
4. een aantal belangrijke supergeleidende verbindingen/legeringen kennen zoals MgB2, YBCO en
BiScCO
5. inzicht hebben in het productieproces voor keramische HTS en LTS metaalverbindingen
6. sommige belangrijke uitdagingen kennen met betrekking tot materiaalonderzoek en toepassingen:
a. het testen van de supergeleidende eigenschappen van grote aantallen verschillende materialen
b. het maken van een kabel van keramisch materiaal
c. de energie die nodig is voor de koelsystemen
d. het verdwijnen van de supergeleiding bij een te hoge stroom, magneetveld of temperatuur
7. weten dat sommige supergeleiders organisch zijn, en welk nut ze kunnen hebben
8. de verschillende eigenschappen van belangrijke categorieën supergeleiders:
a. Gelaagde kopervrije supergeleiders
b. A15-fase
c. Chevrel-fase
d. Zware fermion verbindingen
e. Organische fullerenen
f. Organische zouten
g. Perovskiet zonder koper
h. Perovskiet met koperoxide
Kennistoets
1. Kunnen alle materialen supergeleidend zijn?
2. Zullen supergeleidende materialen altijd supergeleidend zijn?
3. Wat maakt een materiaal supergeleidend?
4. Wat is het verschil tussen een supergeleider en een supergeleidend materiaal?
5. Wat is er zo bijzonder aan metalen als goud (Au), koper (Cu), zilver (Ag) en nikkel (Ni), dat zij
nooit supergeleidend kunnen worden?
6. Wat voor kenmerken hebben deze elementen gemeen: aluminium (Al), lood (Pb), kwik (Hg), tin
(Sn)?
7. Waarom verklaart de BCS theorie hoe lage-temperatuur supergeleiders werken?
8. Waarom verklaart de BCS theorie niet hoe hoge-temperatuur supergeleiders werken?
9. Waarom kunnen lage-temperatuur supergeleiders zowel type I als type II zijn, terwijl hogetemperatuur supergeleiders alleen type II kunnen zijn?
10. Waarom worden lage-temperatuur supergeleiders gebruikt in deeltjesversnellers, en geen hogetemperatuur supergeleiders?
Uitleg over supergeleiding
De module vormt het vervolg op en de uitbreiding van de module ‘Inleiding in de supergeleiding’.
Zowel de verschijnselen als de eigenschappen van supergeleiders worden uitgelegd en onderbouwd
met theorieën, wat inhoudt dat we de microwereld gaan betreden.






Verschillende soorten zweefexperimenten
Microscopische kijk op het Meissner effect
Microscopische kijk op fluxverankering
Microscopische kijk op het Josephson effect
BCS theorie voor lage-temperatuur supergeleiders
De zoektocht naar een theorie voor hoge-temperatuur supergeleiders
Voorkennis
Om ‘Uitleg over supergeleiding’ te kunnen doorwerken, moeten de leerlingen van de module
‘Inleiding in de supergeleiding’ (inhoud op pagina 39) onder de knie hebben.
Leerdoelen
Na het werken met deze module moeten de leerlingen:
1. verschillende soorten zweefexperimenten van elkaar onderscheiden
2. beschrijf het verloop van het Meissner experiment in detail
3. verklaar het Meissner-Ochsenfeld effect vanuit een microscopisch gezichtspunt
4. weten dat het Meissner effect geen stabiel zweefgedrag kan opleveren
5. het ‘vastpin’ experiment (verankeringsproef) beschrijven
6. het vastpin-effect verklaren aan de hand van magnetische wervellijnen en fluxkwantisatie
7. uit kunnen weiden over het Josephson effect, zijnde de basis van SQUIDs
8. de BCS theorie kennen als een verklaring voor lage-temperatuur supergeleiders
9. weten dat er feitelijk geen succesvolle theorie bestaat voor hoge-temperatuur supergeleiding
Kennistoets
1. Noem drie verschillende soorten zweefexperimenten waarbij magneten worden gebruikt!
2. Schets de opstelling van het Meissner experiment. Beschrijf de proef stap voor stap!
3. Op welke manier staat het perfecte diamagnetisme in verband met het zweven van een
supergeleider?
4. Waarom levert het Meissner effect geen stabiel zweefgedrag op?
5. Bedenk hoe je met het Meissner effect stabiel zweefgedrag kunt bereiken. Hoe zou je de
proefopstelling dan veranderen?
6. Schets de opstelling van een vastpin-experiment. Beschrijf de proef stap voor stap!
7. Verklaar het vastpin- of verankeringseffect vanuit een microscopisch beeld van supergeleiding.
8. Een vastgepinde magneet is wel in staat te roteren boven de supergeleider. Verklaar dit
verschijnsel!
9. Wat is een Josephson contact?
10. Hoe kunnen zogeheten Cooperparen onder de kritische temperatuur ontstaan?
11. Noem een paar kandidaten voor een theorie van hoge-temperatuur supergeleiders!
Activiteiten met supergeleiders
Deze module bevat meer gevorderde en uitdagende activiteiten met supergeleiders. Hoewel het nogal
wat vraagt van het technisch vernuft, is het mogelijk ze op school te realiseren. Het kan een
fascinerende uitdaging zijn om je eigen supergeleider te produceren, vooral voor bekwame leerlingen
die in natuurkunde geïnteresseerd zijn. Het meten van soortelijke weerstand nul vereist zeer
nauwkeurig experimenteren, wat de handigste leerlingen juist kan aanmoedigen.




Veiligheidsvoorschriften
Maak je eigen supergeleider
Zweefexperimenten
Het meten van soortelijke weerstand nul
Voorkennis
Om met deze module te kunnen werken moeten de leerlingen een goedgeorganiseerde kennis van de
inhoud van de voorafgaande modules hebben opgebouwd, vooral van die van de ‘Supergeleidende
materialen’.
Leerdoelen
Na het werken met deze module moeten de leerlingen:
1. aandacht schenken aan veiligheidsmaatregelen bij het werken met vloeibare stikstof en sterke
magneten
2. inzicht hebben in het productieproces van keramische HTS
3. uit kunnen leggen wat er in dit proces nodig is om een werkende HTS te krijgen
4. uit kunnen leggen hoe de kwaliteit van de geproduceerde supergeleider te testen is
5. beschrijf een meting van de overgangstemperatuur van een supergeleider
6. verklaar de vierpunts-contactmethode bij deze metingen
Kennistoets
1. Wat zijn de bijzondere risico’s van het hanteren van vloeibare stikstof?
2. Wat zijn de veiligheidsmaatregelen die je in dit geval moet opvolgen?
3. Welke bestanddelen heb je nodig om je eigen supergeleider te maken?
4. Beschrijf het fabricageproces stap voor stap!
5. Hoe kun je de kwaliteit van de geproduceerde supergeleider testen?
6. Waarom is het niet mogelijk om het naar nul gaan van de soortelijke weerstand met een
“gewone” U/I meting te bepalen?
7. Maak een schets van de proefopstelling van de vierpunts-contactmethode!
8. Verklaar het volgende diagram in je eigen woorden!
Voorbeelden van activiteiten
Bedenk wel dat alle volgende activiteiten aangepast moeten worden voor gebruik in uw eigen
klaslokaal. Het zijn alleen maar suggesties, gemaakt om u een idee te geven over hoe u dat in uw eigen
lesgeven zou kunnen inpassen. Het SUPERCOMET2 team ontvangt graag uw commentaar op deze
activiteiten – zet uw opmerkingen alstublieft op de SUPERCOMET2 website op www.supercomet.eu.
Effect van de temperatuur op de weerstand van
metalen en van supergeleiders
Datum :
Klas:
Leslengte: 110 min
Leerdoelen
Aan het eind van de les moeten de leerling:
o De effecten van temperatuurveranderingen op de soortelijke weerstand van metalen begrijpen
o Weten dat supergeleiders zich anders gedragen dan andere geleiders
o Het verschil tussen hoge-temperatuur en lage-temperatuur supergeleiders begrijpen
o In staat zijn de vorm van een grafiek van de temperatuur tegen de soortelijke weerstand te
herkennen en te schetsen, zowel voor metalen als supergeleiders
o De betekenis van de hoogste kritische temperatuur begrijpen
Materialen en benodigdheden
 Genoeg computers voor één per drie leerlingen
 LED
 SUPERCOMET2 software, geïnstalleerd op alle computers
 Vloeibare stikstof in geschikte houderflessen
 Een spoel koperdraad met aansluitpunten
 YBCO supergeleidende draad met aansluitingen eraan vast
 2 C batterijen met houder
 3 Volt flitsende lichtbol met houder
 Spanningssensor
 Computer aangesloten op een beamer en een interactief whiteboard
Veiligheidsoverwegingen
Hanteren van vloeibare stikstof is gevaarlijk. Overtuigt u zich ervan dat de juiste
veiligheidsmaatregelen genomen zijn.
Tijd
5 min
Lesplan
Voornaamste punt om te behandelen: hoe beïnvloedt de temperatuur de soortelijke
weerstand van verschillende soorten materialen?
Vraag de leerlingen voorspellingen te doen. Wat zal er gebeuren wanneer de LED
wordt afgekoeld in vloeibare stikstof? Demonstreer dit door de LED voorzichtig 10
seconden in de vloeibare stikstof laten zakken. Kijk goed wat er dan gebeurt. Vraag
20 min
35 min
50 min
de leerlingen uit te leggen wat ze hebben waargenomen.
Verklaar het effect van de temperatuur op de soortelijke weerstand van koper.
Vraag leerlingen een voorspelling te doen van de grafiek van de temperatuur tegen
de soortelijke weerstand die je zou vinden als je metalen af zou koelen. Eén leerling
zou de grafiek als voorbeeld op het bord kunnen schetsen. Maak een schakeling met
batterijen, een halfgeleider en een spanningssensor aangesloten op een computer.
Stop de halfgeleider gedurende 10 seconden in de vloeibare stikstof, haal hem er dan
uit en laat hem langzaam opwarmen. Zorg dat de hele groep de gegevens krijgt.
Introduceer het begrip temperatuurcoëfficiënt.
Vraag de leerlingen in groepjes van vier de SUPERCOMET2 simulaties van de
spanning tegen de temperatuur te gebruiken, en indien nodig het internet, om een
grafiek van de spanning tegen de temperatuur te tekenen. Vraag een leerling dit als
voorbeeld op het bord te zetten en vergelijk de resultaten met die van de formule.
Vraag uit elke groep van vier een leerling om: bij groep A te gaan, één bij groep B,
één bij groep C en één bij groep D. Vraag elke groep om de gegevens over de
soortelijke weerstand van materialen van de SUPERCOMET2 CD ROM en het
internet te gebruiken om lijnen op grafiekvoorbeeld te schetsen om de hoogste
kritische temperatuur (Tc) van de volgende materialen te bepalen:
Groep A
Koper
Zilver
Goud
70 min
90 min
Groep B
Kwik
Lood
Niobium
Groep C
YBCO
BiSCCO
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Groep D
Koolstof
Rubber
Porcelein
Elke groep zou een grafiek moeten maken waarin de door hen geschetste kromme en
geschatte hoogste kritische temperatuur zichtbaar zijn.
Ze zouden vervolgens moeten kijken naar de waarden die op de SUPERCOMET2
CD ROM voor hun materialen gegeven worden en de verschillen bespreken.
De leerlingen moeten dan naar hun oorspronkelijke groepen terugkeren en hun
bevindingen met elkaar vergelijken en bespreken. Vervolgens zouden ze de
SUPERCOMET2 CD ROM moeten gebruiken om te proberen tot een verklaring te
komen voor hun bevindingen.
De leraar vraagt een leerling van elke groep (A, B, C, D) om hun drie lijnen op het
bord te tekenen en hun geschatte en werkelijke hoogste kritische temperatuur in te
vullen in een gegeven leeg voorbeeld.
De leraar zou de uiteindelijke conclusies eruit kunnen halen en uittekenen wat de
hoofdpunten van de geleerde les zijn.
Werkvoorbeeld voor het bord (geef ook assen van de grafiek voor de temperatuur tegen de
soortelijke weerstand)
Groep A
Groep B
Groep C
Materiaalsoort
Koper
Zilver
Goud
Kwik
Lood
Niobium
YBCO
Soortelijke weerstand Geschatte Tc
Werkelijke Tc
Groep D
BiSCCO
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Koolstof
Rubber
Porcelein
Mogelijke lessen over supergeleiding
Inleiding
Het niet waarneembare waarneembaar maken – de kunst van het demonstreren.
Veel natuurkundigen zijn gefascineerd door supergeleiding, vooral als zij demonstratieproeven zien
van het optillen naar de zwevende toestand. Leerlingen daarentegen, kunnen daar anders op
reageren: ‘Het is net een magneet, nietwaar? Wat is daar nu zo bijzonder aan?’ Het ‘bijzondere’ is
dat ze echt niet hetzelfde zijn; het is, bijvoorbeeld, onmogelijk om een magneet boven een andere
magneet te laten zweven zonder iets om te voorkomen dat hij wegschiet.
Daarom is het een belangrijk onderdeel van de les dat de leraar in staat is iets dat klein en
ogenschijnlijk onbelangrijk is, voor te stellen als dramatisch en iets waar je behoorlijk over moet
nadenken.
Veiligheid – Alléén demonstraties
Het praktische gedeelte van de les kan alleen door de leraar gedemonstreerd worden, omdat de wet
op de veiligheid leerlingen verbiedt vloeibare stikstof (LN2) te hanteren. Uit veiligheids- (en ook
wel pedagogische) overwegingen, moet al het praktische werk vooraf uitgeprobeerd worden.
Leraren die de betreffende nascholingscursus volgen zullen daar oefenen en op de hoogte zijn van
de benodigde voorzorgen om met vloeibare stikstof te kunnen werken.
HET IS VAN WEZENLIJK BELANG DAT LERAREN DE
VEILIGHEIDSVOORSCHRIFTEN VOOR HET WERKEN MET VLOEIBARE STIKSTOF
KENNEN EN OPVOLGEN.
Tijdsindeling
Het indelen van de tijd zal van het niveau van de klas afhangen. De demonstraties zelf zullen slechts
ongeveer 30 minuten in beslag nemen. Er is nu een serie leeractiviteiten aangereikt van twee tot drie
lessen: leraren moeten dat al naargelang hun eigen situatie aanpassen.
Mogelijke serie leeractiviteiten
1. Elektrische eigenschappen van supergeleiders (met gebruik van bronnen uit de tweede hand:
zoals de eigen uitleg van de leraar; boeken; CD ROM...)
2. Demonstraties met vloeibare stikstof en denktaken
3. Bronnenonderzoek
4. Vervolgtaken
5. Verslag van de bevindingen en verklaring door de leraar
Een mogelijke opeenvolging kan zijn:
Les A – deel 1: les B – delen 2, 3 en 4;
huiswerk: ga door met deel 4; les C – deel 5.
Voorbereiding en bestellen
Supergeleider Demonstratiekisten en materialen: Zie http://www.supergeleiders.org/Play.htm
De hier genoemde demonstraties kunnen met de basiskist gedaan worden. Het bedrijf levert echter ook
grotere kisten waarmee metingen van de kritische temperatuur, kritische stroom en kritisch
magneetveld mogelijk zijn.
Het is aannemelijk dat er in de buurt van elke stad wel ziekenhuizen, universiteiten en industrieën zijn
die gebruikmaken van vloeibare stikstof. Zoek een leverancier die kleine hoeveelheden kan leveren of
tref een regeling met een plaatselijk ziekenhuis of plaatselijke universiteit. Er is niet meer dan een liter
nodig.
Leraren moeten bekend zijn met de inhoud van de CD ROM als belangrijkste informatiebron voor het
zelfstandige onderzoek door leerlingen. Andere bronnen zoals geschikte internet sites en tekstboeken
moeten vooraf geselecteerd worden. Denk aan de veiligheidsmaatregelen!
Woordgebruik
Strikt genomen zou men niet aan een materiaal moeten refereren als ‘een supergeleider’ totdat het is
afgekoeld tot beneden zijn kritische temperatuur. Wij maken echter de afspraak om ‘supergeleidende
schijven’ te zeggen als we het over de schijven hebben die in de demonstratie gebruikt worden, zelfs al
zijn ze niet supergeleidend totdat ze tot beneden hun kritische temperatuur afgekoeld zijn. Dat is
makkelijker dan elke keer als we het over de schijf hebben, te zeggen: ‘de schijf die supergeleidend
wordt wanneer hij is afgekoeld tot beneden zijn kritische temperatuur’.
Meer over de hoofdlijnen
Deel 1
Inleiding in elektrische eigenschappen van supergeleiders.
Er staat voldoende materiaal op de CD ROM om een korte inleiding over de elektrische
eigenschappen van supergeleiders van te maken. Er staan ideeën op om de grafieken van de
weerstand tegen de temperatuur voor een gewone geleider en een supergeleider met elkaar te
vergelijken – leerlingen kunnen de snelle val naar weerstand nul opmerken en erover doordenken:
wat gebeurt er met de stroom als dit plaatsvindt (hun eerste reactie zal zijn dat hij oneindig wordt
– maar dat gebeurt natuurlijk niet – en dan kunnen ze bedenken waarom niet). Beperkende
factoren (kritische stroomsterkte en kritisch magneetveld) kunnen ook worden besproken aan de
hand van grafieken op de CD ROM.
Als leraren de beschikking hebben over grotere demo-koffers kunnen zij de toestand van
‘soortelijke weerstand nul’ demonstreren.
Leraren houden wel van een geschiedkundige benadering en beschrijven dan hoe Onnes zijn
experiment verscheidene keren over heeft gedaan voordat hij zijn ogen kon geloven – hij dacht dat
er wat mis was met de apparatuur!
Een ander startpunt is een video van een Maglev trein of een scanapparaat in een ziekenhuis – met
de daaraan gekoppelde uitspraak dat beide afhangen van de ontdekking van supergeleiding.
Voorgestelde tijd: 30 minuten
Deel 2
Demonstratieproeven door leraren en denkopgaven. De demonstraties betreffen ‘vreemde
elektrische en magnetische verschijnselen’ die plaatsvinden bij lage temperaturen. De
verschijnselen zijn:
• LN2 is heel koud – zo worden een slablad en rubber bros in LN2 (geen supergeleiding);
• ‘sprong’ van een aluminium ring vanaf een elektromagneet wanneer de stroom plotseling wordt
aangezet en een nog grotere sprong als de ring afgekoeld is in LN2 (geen supergeleiding);
• de verandering in uitgezonden licht bij het afkoelen van een LED (geen supergeleiding);
• het zweven van een magneet boven een supergeleider;
• de neiging van een zwevende magneet om naar zijn uitgangspositie ‘terug te keren’ zelfs als hij
opzij geduwd wordt, dan wel op een andere plek stabiel te worden;
• het rondtollen van de magneet boven de supergeleider;
• de geleidelijke terugkeer van een supergeleidende schijf naar de ‘gewone toestand’, in plaats van
een plotselinge terugkeer;
• de zwevende stand van een supergeleider met behulp van een magneet, met een onderlinge
tussenruimte (supergeleider blijft in zweefpositie wanneer de magneet zachtjes van de ene naar
de andere kant beweegt).
Voorgestelde tijd: een half uur
Denkvragen naar aanleiding van de demonstraties
De denkpuzzels moeten de leerlingen aanmoedigen vragen te stellen als: wat gebeurt er, en erover
gaan nadenken waarom, bijvoorbeeld, de aluminium ring zoveel hoger springt wanneer hij
gekoeld is. Welke vorm van magneetveld zou het waargenomen gedrag bij het omhoog liften en
zweven kunnen verklaren, waarom verandert de LED in LN2.
Het kan zijn waarde hebben om verschillende taken aan verschillende groepen in de klas te geven,
zodat zij terug kunnen rapporteren.
Voorgestelde tijd: 10 minuten.
Deel 3
Onderzoek naar hulpbronnen
Na de leerlingen de kans te hebben gegeven op hun eigen kennis te vertrouwen bij deze denkopgaven,
ontstaat de noodzaak aan wat inbreng. Mogelijke soorten inbreng kunnen zijn:
1. Een systeem van ‘hints’ of vragen van de leraar.
2. Een aantal zorgvuldig uitgezochte boeken, waarvan de bladzijden die van belang zijn aangegeven
zijn.
3. Uitleg van de leraar – gebaseerd op wat de leerlingen hebben aangedragen.
4. Gebruik van de CD ROM waarin alle gestelde vragen aan de orden komen.
Voorgestelde tijd: een half uur in een les en verder een uur huiswerk
Deel 4
Vervolgwerk – huiswerk – projectwerk:
1. Benut de CD ROM om ideeën te controleren en verder uit te werken.
2. Gebruik de CD ROM om in je eigen woorden op te schrijven wat er wordt verstaan onder
kritische stroom, kritisch magneetveld en kritische temperatuur.
3. Zoek uit hoe verschijnselen die verband hebben met supergeleiding worden omgewerkt tot
technologische oplossingen van problemen.
4. Gebruik de CD ROM om verklaringen op atomair niveau na te gaan. De CD ROM gaat niet
verder dan waar het nog voor leerlingen op school toegankelijk is. Het bevat geen wiskunde of
kwantummechanica.
5. Gebruik aangegeven internetsites voor verder onderzoek.
6. Vergelijk verklaringen voor het zweefgedrag uit drie verschillende bronnen – wat zijn de
overeenkomsten en verschillen in de uitleg? (Deze opdracht kan natuurlijk worden uitgebreid tot
alle verschijnselen en is een nuttige oefening in ‘geloof niet altijd alles wat je vindt op het net of
in boeken’. Leraren zouden ook de redenen voor de verschillen kunnen bespreken – het komt
deels voort uit de noodzaak een complex proces te vereenvoudigen voor een gehoor van leken).
7. Wanneer leerlingen echt enthousiast worden over het onderwerp kunnen zij het onderzoeken niet
alleen met behulp van de CD ROM en de door de leraar uitgezochte sites maar met een
‘Google’ zoekopdracht op het internet. De volgende zoektermen zullen van pas komen: ‘LED en
vloeibare stikstof; ‘Meissner effect’; ‘Supergeleiding’.
8. Als u kunt beschikken over de grotere supergeleidings-kist kunnen er elektrische metingen aan de
supergeleiders worden gedaan. De leraar moet de LN2 hanteren, maar leerlingen kunnen het
ontwerp van de schakeling uitleggen en de resultaten interpreteren.
Deel 5
Terugkoppeling van de leerlingen en opheldering
Leerlingen bereiden een presentatie van hun ideeën voor (posters/ korte praatjes/ brochures/ uitleg aan
toekomstige leerlingen – allemaal mogelijke vormen). Aan groepen kan worden gevraagd daarbij
duidelijke te maken:
‘Waar zijn wij zeker van’;
‘Waar zitten we nog een beetje mee’;
Voorgestelde tijd: een uur (hangt van de gebruikte vorm af)
Er zal wat inbreng van de leraar nodig zijn – al was het alleen maar om de leerlingen gerust te stellen
dat veel van de verklaringen hun huidige kennis te boven gaan en dat er ook veel sowieso niet
begrepen is, het is nog steeds een terrein van dispuut.
Geef leerlingen in groepen toegang to een computer om aan hun presentaties te werken.
De SUPERCOMET2 nascholing voor leraren bevat meer praktische informatie over de demonstraties.
Bezoek www.supercomet.eu voor meer informatie.
Werkblad 1 – Inleiding in magneetvelden
Her en der in de kamer zult u een aantal magneten en blaadjes papier bedekt met ijzervijlsel aantreffen.
Door dit ijzervijlsel kunt u de magneetvelden zichtbaar maken die door verschillende soorten
magneten. Kijk naar je leraar om te zien of hij/zij ijzervijlsel gebruikt om het magneetveld van een
magneet te laten zien. Teken dan in paren de magneetvelden die je ziet in alle volgende magneten:
Voorbeeld van een
werkblad over inleiding
in magnetisme
Als je klaar bent met het tekenen van je magneetvelden, ga dan naar de SUPERCOMET2 CD ROM en
controleer daar de magneetvelden die door de verschillende magneten gemaakt zijn. Zijn de
magneetvelden hetzelfde? Indien niet, waarom denk je dan dat ze verschillend zijn?
Mogelijke lesplannen over supergeleiding
Inleiding
Het onvoorstelbare zichtbaar maken: de kunst van het demonstreren.
Veel natuurkundigen zijn gefascineerd door supergeleiding, in het bijzonder wanneer zij de
levitatieproeven zien. Studenten daarentegen zouden verrassend anders kunnen reageren: “Het is net
zoals bij magneten, niet? Wat is daar zo bijzonders aan?” Het bijzondere is natuurlijk dat beide
verschijnselen NIET gelijk zijn; het is bijvoorbeeld onmogelijk één magneet op een andere te
leggen zonder dat deze wegschiet. Het is dus erg belangrijk dat de leerkracht bij de start van de
lessen er in slaagt een min of meer onschuldig verschijnsel te duiden als dramatisch verrassend en
“onmogelijk”.
Veiligheid- enkel demonstraties
Het praktisch gedeelte van de les kan enkel door leerkrachten uitgevoerd worden aangezien het
omwille van de veiligheid verboden is leerlingen met vloeibare stikstof te laten werken. Om
praktische en pedagogische redenen is het nodig de experimenten vooraf te oefenen. Dit kan
gebeuren op de nascholingen voor leerkrachten. Hier zal dan ook informatie gegeven worden over
allerlei veiligheidsmaatregelen naar leerlingen toe.
HET IS ESSENTIEEL DAT LEERKRACHTEN DE VEILIGHEIDSMAATREGELEN
VOOR HET WERKEN MET VLOEIBARE STIKSTOF NIET ALLEEN KENNEN MAAR
OOK TOEPASSEN!
Timing
De tijdsduur van een les zal afhangen van de klas. Vermoedelijk zal dit verschillend zijn in een klas
met veel natuurwetenschappen in vergelijking met andere. De demonstraties zelf duren alles samen
ongeveer 30 minuten. We stellen hier een schema voor dat ongeveer twee of drie lesuren kan duren.
De leerkracht past het aan voor zijn klas situatie.
Voorstel lesplan
1. Elektrische eigenschappen van supergeleiders ( gebruik maken van secundaire bronnen: boeken,
eigen lesmateriaal, CD-rom )
2. Demonstraties met vloeibare stikstof, denkvragen
3. Onderzoek in secundaire bronnen
4. Opdrachten
5. Verslag en verklaringen door de leerkracht
Een mogelijke volgorde zou kunnen zijn:
Les A: deel 1; les B: deel 2,3 en 4, gevolgd door opgave van een huiswerk, dan deel 4 verder. Les C: deel
5
Voorbereiding en ordening.
Een experimenteerset met materiaal kan men vinden op http://www.superconductors.org/Play.htm
De demonstraties kunnen met de basis set gebeuren. Op bovenstaand adres vindt men grotere kits met
experimenten om de kritische temperatuur, de kritische stroomsterkte en het kritische magnetisch veld
te meten. Vloeibare stikstof kan men vinden in ziekenhuizen, universiteiten en eventueel firma’s. Daar
moet men afspraken mee maken. Meer dan een liter is niet nodig.
De leerkrachten moeten wel vertrouwd zijn met de inhoud van de Cd-rom aangezien de experimenten
op dit lesmateriaal steunen als tweede bron voor eigen onderzoek. Andere bronnen zoals geschikte
internetadressen en handboeken moeten op voorhand geselecteerd worden. Denk aan de
veiligheidsmaatregelen!
Terminologie
Strikt genomen zou men het materiaal geen “supergeleider” mogen noemen zolang hij niet voldoende
is afgekoeld, vermits hij op dat moment natuurlijk pas supergeleidend wordt. Gemakkelijkheidshalve
gaan we dat materiaal toch zo noemen, ook bij hoge temperaturen. Steeds “het schijfje dat
supergeleidend wordt wanneer het onder de kritische temperatuur is afgekoeld” gebruiken, lijkt veel te
omslachtig.
Details van de verschillende lesonderdelen
Deel 1
Inleiding op de elektrische eigenschappen van supergeleiders.
Voor dit onderdeel is er voldoende materiaal aanwezig op de CD. Men kan de temperatuurweerstand grafieken van gewone geleiders en supergeleiders vergelijken. Leerlingen kunnen de
snelle daling van de weerstand naar nul opmerken en zich de vraag stellen wat er met de
stroomsterkte gebeurt wanner dit zich voordoet (instinctief zullen ze zeggen dat deze oneindig
groot wordt, wat natuurlijk niet kan, maar waarom niet). Er moeten dus begrenzende factoren zijn
(stroomsterkte en magnetisch veld), die ook kunnen behandeld worden met grafieken uit de CD.
Wanneer leerkrachten de uitgebreide kit hebben kunnen ze ook de “nul-weerstand” toestand
experimenteel tonen. Hierbij zou kunnen gekozen worden voor een historische benadering over
hoe Onnes het experiment verscheidene keren herhaalde omdat hij dacht dat zijn metingen
verkeerd waren. Maar er was niets fout aan de meetapparatuur!
Een andere benadering is te beginnen met de beelden van de Maglev trein en een scanner in een
ziekenhuis, aangevend dat beiden steunen op het supergeleidingsverschijnsel.
Voorgestelde tijd: 30 minuten
Deel 2
Demonstratieproeven en denkvragen. De demonstraties tonen “eigenaardige elektrische en
magnetische verschijnselen” die voorkomen bij lage temperaturen. Deze verschijnselen zijn:
 Iets op vloeibaar stikstof temperatuur is zeer koud: sla en rubber worden er hard in en breekbaar
(geen supergeleiding!)
 Een springende ring rond een elektromagneet springt veel hoger (geen supergeleiding!)
 De lichtsterkte van een LED verandert (geen supergeleiding!)
 De levitatie van een magneet boven een supergeleider
 Een dergelijke magneet zoekt zijn oorspronkelijke positie na een duwtje of kan gedwongen
worden een andere zwevende positie in te nemen
 Het roteren van zo’n magneet
 Het geleidelijk terugkeren van een supergeleider naar zijn normale toestand, eerder dan een
plotse overgang
 Het opheffen van een supergeleider met een magneet, zelfs wanneer ze elkaar niet raken
Denkvragen in verband met de demonstraties
Denkvragen moedigen leerlingen aan zich vragen te stellen bij wat ze zien en bij wat er gebeurt.
Waarom, bijvoorbeeld, springt een koude ring veel hoger, hoe ziet een magnetisch veld eruit dat het
stabiel boven de supergeleider blijft hangen, waarom dooft het licht van de LED?
Een lesstrategie zou kunnen zijn de leerlingen in groepen verschillende opdrachten/vragen te laten
oplossen, en hiervan verslag te laten uitbrengen
Voorgestelde tijd: 10 minuten.
Deel 3
Onderzoek in secundaire bronnen
Nadat leerlingen hun eigen inzichten hebben gebruikt bij het verklaren van de demonstratieproeven zal
bijkomende studie zich opdringen. Dit kan als volgt gebeuren:
1.
2.
3.
4.
Een aantal hints of bijkomende vragen van de leerkracht
Enkele bewust gekozen boeken waarbij de relevante pagina’s aangeduid worden
Uitleg door de leerkracht, ingegeven door het onderwijs-leergesprek
Het gebruik van de CD ROM waarin een discussie over alle vragen wordt voorgesteld.
Voorgestelde tijd: een half lesuur en een heel uur huiswerk.
Deel 4
Opvolging huiswerk- projectwerk:
1. Gebruik de Cd-rom om suggesties te verifiëren en werk dat verder uit
2. Laat de Cd-rom gebruiken om zelf notities te maken over kritische stroomsterkte, magneetveld
en temperatuur
3. Onderzoek hoe supergeleiding technologische oplossingen kan bieden voor bepaalde problemen
4. Gebruik de Cd-rom om atomaire verklaringen te vinden van verschijnselen. Inhoudelijk is dit op
niveau van secundair onderwijs. Er wordt geen wiskunde gebruikt en ook geen kwantum
mechanica.
5. Gebruik ook gerichte Internet adressen voor verder onderzoek
6. Vergelijk verklaringen van de levitatie afkomstig van drie verschillende bronnen. Waarin
gelijken de verklaringen op elkaar, waarin verschillen ze? Dit geldt voor veel onderwerpen en
verhoogt de kritische zin van leerlingen: niet alles wat op het Internet staat of in boeken
geschreven staat is waar. Leerkrachten kunnen eventueel dieper ingaan naar de achtergronden
van die verschillen- dikwijls heeft dit te maken met vereenvoudigingen voor een algemeen
publiek
7. Wanneer leerlingen echt enthousiast zouden worden kunnen, naast CD en geselecteerde sites
eventueel andere opgezocht worden via zoekrobots. Zoekwoorden als ‘LED en vloeibaar
stikstof’, ‘Meissner effect’, of ‘supergeleiding’ kunnen dan nuttig zijn.
8. Met de uitgebreide experimenteerkit kunnen dan verder metingen gebeuren aan supergeleidende
materialen. Hoewel de leerkracht de proeven uitvoert, kan de leerling als assistent inzicht
verwerven in de proefopstelling en de meetmethode, waarna hij de resultaten kan interpreteren.
Deel 5
Terugkoppeling van leerlingen en opheldering
Leerlingen bereiden de presentatie van hun ideeën voor via een poster, pamflet, PowerPoint of
een andere manier. Elk groepje zou een overzicht kunnen geven van “waar zijn we zeker van” en
“wat weten we nog niet zo goed”.
Voorgestelde tijd : één uur (afhankelijk van de gebruikte werkvorm).
Uiteraard zal de leerkracht moeten bijspringen, vooral wanneer de inhoud van de theorie veel verder
gaat dan een leerling redelijkerwijs kan begrijpen. Een houding in de zin van “niemand weet precies
hoe de vork aan de steel zit”, “over dit stukje natuurkunde voert men nog steeds discussies”, neemt de
dreiging voor demotivatie vermoedelijk weg.
Elke groep leerlingen heeft minstens één pc nodig.
De nascholing voor leerkrachten bevat meer informatie over de demonstraties.
Bezoek ook www.supercomet.eu.
Werkblad 1: inleiding tot magnetische velden
In de klas, op verschillende banken, liggen magneten en bladen met ijzervijlsel. Dit ijzervijlsel laat toe
om de vorm van verschillende soorten magneetvelden te bepalen. Kijk naar je leerkracht om te weten
hoe je met dit materiaal moet omgaan. Teken dan, per twee, de vorm van de magneetvelden in de
volgende gevallen:
Voorbeeld van een
werkblad over de inleiding
tot magnetisme.
Wanneer je klaar bent met tekenen, bekijk dan op de Cd-rom van Supercomet hoe de vorm van de
velden is en vergelijk met je eigen werk. Lijken ze op elkaar? Ja? Nee? Waarom eventueel niet?
Werkblad 2: - Elektromagneten, ijzervijlsel en kompassen
Dit is ongeveer dezelfde oefening, maar dit keer gebruik je een kompas om de vorm van het
magneetveld te onderzoeken.
Voorbeeld van een
werkblad over de inleiding
tot elektromagnetisme
Wanneer je klaar bent met tekenen, bekijk dan opnieuw op de CD-rom van SuperComet hoe de vorm
van de velden is en vergelijk die met je eigen werk. Lijken ze op elkaar? Ja? Nee? Waarom eventueel
niet?
Nota voor leerkrachten: wanneer men met batterijen werkt moet men er op letten de proef niet te lang
te laten duren: de draden kunnen warm worden en de batterijen lopen snel leeg.
SUPERGELEIDING – Stimulerende werkbladen
voor leerlingen
Michela Braida, Marisa Michelini, Udine (I)
1 Magnetische wisselwerkingen
Je beschikt over alle voorwerpen die hieronder in de eerste kolom van de tabel opgesomd staan.
1. EXPLORATIE van de verschijnselen. Breng de verschillende voorwerpen één voor één dichtbij
de ene pool van de magneet, en daarna dichtbij de andere pool. Tracht verschillende soorten
wisselwerkingen te benoemen tussen de magneet en de verschillende voorwerpen.
2.
VOORWERP
SOORT WISSELWERKING
magnetische
kompasnaald
magneet
een stukje magnetiet
een ijzeren muntstuk
of ring
een koperen
muntstuk
een aluminium
muntstuk
stalen nietjes
een ijzeren spijker
plastic knoop
een stukje papier
tafel tennis balletje
een kleine ijzeren bol
(knikker)
Tandenstoker
3. Welke soorten gedrag neem je waar? Illustreer met een voorbeeld.
A. _________________________________________________________________
B. _________________________________________________________________
C. __________________________________________________________________
__________________________________________________________________
4. Wat bepaalt de verschillende soorten wisselwerkingen? (materiaal, soort voorwerp, …)
________________________________________________________________
5. Voor welke voorwerpen heerst er een “aantrekkende wisselwerking”?
Beschouw bijvoorbeeld een magneet en enkele nietjes in volgende gevallen:
A. Leg de nietjes op tafel en breng de magneet dichterbij
B. Leg de magneet op de tafel en breng de nietjes dichterbij
Trekt de magneet de nietjes aan of andersom? (Leg uit)
___________________________________________________________________________
_____________________________________________________
6. Voorspel de wisselwerking tussen de magneet en een ferromagnetisch (ijzerhoudend)
voorwerp. Leg uit.
________________________________________________________________
7. Gebeurt de aantrekking tussen de magneet en de nietjes pas bij contact of eerder? Toon en
leg uit.
________________________________________________________________
8. Breng twee nietjes of paperclips die aangetrokken warden door de magneet bij elkaar.
Trekken die elkaar aan?
9. Voorspel wat er gebeurt wanneer je de magneet dichterbij brengt.
________________________________________________________________
10. Voer het nu uit en beschrijf wat er gebeurt. Verklaar.
________________________________________________________________
2 Oriëntatie lijnen en startrichtingen
Leg een transparant bovenop een magneet en teken de vorm ervan met een stift over op het blad.
Leg nu een aantal kompassen rond de magneet. Teken met de stift de stand van de
kompasnaalden over op het blad. Verbind nu al die standen van de naalden door vloeiende lijnen,
zo dat elke stand van een naald raakt aan een getrokken lijn. Neem de kompassen weg.
1. Teken hieronder het resultaat van je werk over.
2. Zet een kompas op één van die lijnen. In welke richting en zin wijst de naald? Geef aan op de
lijn.
________________________________________________________________
3. Leg uit wat deze lijnen feitelijk betekenen wanneer je in nadenkt over de manier waarop ze tot
stand kwamen.
________________________________________________________________
4. Beschouw twee van die georiënteerde lijnen: liggen ze onderling overal op dezelfde afstand?
Denk je dat de tekening dezelfde zal zijn wanneer we tafel schuin zouden houden, dus in een
ander vlak zouden kijken?
5. Beschrijf in je eigen woorden wat de vorm is van al die georiënteerde lijnen in de ruimte rond
de magneet.
Neem de magneet weg. Strooi nu gelijkmatig ijzervijlsel op de transparant. Leg de magneet
opnieuw onder het blad, op dezelfde plaats. Kijk goed in welke lijnen patronen het ijzervijlsel zich
herschikt.
6. Is er enig verschil tussen het tekenen van de lijnen op basis van de kompasnaalden in
vergelijking met het gebruik van ijzervijlsel?
Overleg over gelijkenissen en verschillen. Zoek een (aanzet tot) verklaring.
Gelijkenissen________________________________________________________________
Verschillen_______________________________________________________________
Verklaring ________________________________________________________________
7. Verschuif nu de hele opstelling naar verschillende plaatsen op de tafel. Verandert er iets aan
de
verdeling
van
het
ijzervijlsel
(dus
aan
het
patroon?).
Leg
uit!
________________________________________________________________
Beschouw het (veld)lijnenpatroon rond een staafmagneet en stel dat we een stalen balletje plaatsen in
posities A en B (zie tekening).
8. VOORSPELLING. Wanneer we elk balletje los zouden laten …
 In welke richting en zin zal het balletje A dan bewegen? Geef aan op de tekening en
verklaar je eigen voorspelling.
________________________________________________________________

Wat gebeurt er dan met balletje B? Geef aan op de tekening en verklaar je eigen
voorspelling.
________________________________________________________________

Valt volgens u de lijn samen met de startrichting van de beweging van de balletjes? Leg je
antwoord uit
________________________________________________________________
9. BEWIJS. Voer de proef gewoon uit met twee stalen knikkers, vanuit de plaatsen A en B. Hoe
bewegen ze? Leg uit!
________________________________________________________________
10. Stellen de bewegingsrichtingen bij de start verschillende aspecten van de beschouwde
verschijnselen voor, of gaat het in feite om dezelfde gedachte, één en hetzelfde
principe?________________________________________________________________
Voorgestelde activiteit: meet de sterkte van het magnetisch veld langs een veldlijn. Kijk naar het deel
“experimenteren”, proeven 1, 2, 3
3 Ophanging van magneten
Vier identieke ringvormige magneten worden rond een houten staafje gehangen. De ene magneet
zweeft boven de andere.
1. Stel dat je met de hand een neerwaartse verticale kracht uitoefent op de bovenste ring. Welke
van onderstaande uitspraken beschrijft het best de nieuwe situatie? Leg uit waarom.
a. Je verwacht een tegenwerkende opwaartse kracht.
b. Je verwacht dat je de magneet niet kunt verplaatsen
c. Je
verwacht
dat
de
magneet
op
de
onderliggende
gaat
vallen
______________________________________________________________________
______________________________________________________
2. Duw nu de bovenste magneet naar beneden. Beschrijf wat er gebeurt.
3. Vergelijk je voorspelling met de proef zelf. Leg uit waarom je verwachting eventueel fout was.
_______________________________________________________________________________
_________________________________________________
In de onderstaande figuur hebben we vier identieke ringmagneten getekend, in de lucht gehangen
met een centrale houten as in het midden.
4. Welke krachten werken er op elke ring? Toon ze op de tekening.
5. VOORSPELLING. Stel dat we ze, zonder centrale as, op dezelfde manier zouden trachten te
zetten, zou het lukken? Hoe zouden ze zichzelf schikken, hoe zou de eindsituatie zijn? Leg je
antwoorden
uit.
____________________________________________________________________________
____________________________________________________
6. PROEF. Voer nu de proef uit: zet de ene magneet op de andere, steeds met gelijke polen naar
elkaar toe.
a. Wat gebeurt er?
________________________________________________________________
b. Geef er een verklaring voor.
_______________________________________________________________________________
_________________________________________________
7. Welke factoren spelen dus een rol om de magneten stabiel in de getekende situatie te houden?
4 Val in een koperen buis
In een koperen buis die 114 cm lang is en een diameter heeft van 2,5 cm, wordt bovenin een
cilindrische magneet losgelaten. Je herhaalt de proef met een stalen cilinder, die ongeveer dezelfde
dimensies heeft als de magneet. Je beschikt ook over een chronometer. Meet voor beide voorwerpen
hoelang het duurt om door de koperen buis te “vallen”.
1. Tijd voor de ijzeren cilinder: ………………………………………………………………
2. Tijd voor de ijzeren cilinder: ………………………………………………………………
3. Is er een verschil tussen de twee “valtijden”? Hoe leg je dat uit?
Nu neem je een identieke koperen buis, maar één met een verticale insnede van 2 mm breed. Houd
opnieuw de buis mooi verticaal en herhaal de proef.
4. VOORSPELLING: hoelang duurt het in deze buis vooraleer de ijzeren cilinder erdoor
“gevallen” is? ________________________
Leg je voorspelling uit:
______________________________________________________
5. Laat de ijzeren cilinder nu vallen: meet de tijd:
__________________________________
6. Is er een verschil in valtijd meetbaar tussen het geval van de koperen buis zonder en die mét
insnijding?
Leg uit wat je gemerkt en waargenomen hebt:
7. VOORSPELLING: hoelang duurt het in deze buis voordat de MAGNEET erdoor “gevallen” is?
________________________
Leg je voorspelling uit:
__________________________________________________
8. Laat de magneet nu daadwerkelijk vallen door de buis met insnijding: meet de tijd:
__________________________________
9. Is er een verschil in valtijd meetbaar tussen het geval van de koperen buis zonder en die mét
insnijding?
e
Leg uit wat je gemerkt en waargenomen hebt:
5 De lanceer-ring
Je beschikt over een stroomvoerende spoel met een weekijzeren kern die een eind boven de spoel
uitsteekt. Verder heb je een koperen ring die rond de kern past, een werktafel en een potje met
vloeibare stikstof.
1. Zet nu eerst de stroom af en leg de ring rond de weekijzeren kern. Wat gebeurt er?
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
2. Laat de koperen ring liggen en laat nu stroom door de spoel lopen. Beschrijf wat je ziet.
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
3. Laat de stroom aanstaan. Merk je iets speciaals?
4. Zet de stroom nu aan en uit, terwijl je de ring rond de kern laat zitten. Beschrijf wat je ziet
____________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
5. Wanneer verplaatst de ring zich?
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
6. Verklaar het gedrag van de ring op het moment dat je de stroom aan- en uitzet.
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
7. Zet een witte plaat achter de proefopstelling en geef daarop aan hoe hoog de ring
omhoogvliegt wanneer je de stroom door de spoel opzet.
h = ….
8. Verwarm de koperen ring nu door hem (met een tang vasthouden!!!) in de vlam van een
bunsenbrander te hangen. Leg de hete ring nu vlug rond de weekijzeren kern en stuur stroom
door de spoel. Meet ook nu, met behulp van het witte bord, de “lanceerhoogte”: h = …………
1. Beschrijf wat je ziet.
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
2. Springt de hete ring hoger of langer dan de ring bij kamertemperatuur?
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
9. VOORSPELLING: stel dat je de ring nu in vloeibare stikstof legt en volledig laat afkoelen tot
77K. Stel dat je hem opnieuw laat opspringen met de beschouwde proef. Wat gaat er
gebeuren? Wat met deze lanceerhoogte?
1.Hoger of lager dan bij kamertemperatuur? Leg uit!
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
2. Hoger of lager dan bij de grote opwarming? Leg opnieuw uit!
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
10. Voer nu de proef zoals hierboven beschreven uit (opgelet met de vloeibare stikstof: dit geeft
even erge brandwonden als de bunsenbrander!!! Let ook op je ogen voor opborrelende
druppels!!!). Duid op het witte bord aan hoe hoog de ring nu vliegt: h = …
1.Hoger of lager dan bij kamertemperatuur? Leg uit!
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
2. Hoger of lager dan bij de grote opwarming? Leg opnieuw uit!
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
11. Hoe denk je dat het verschijnsel samenhangt met de temperatuur van de ring? Leg uit!
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
12. Besluiten
_______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
6 Supergeleiders
Je beschikt over een cilindrisch magneetje, een kleine supergeleider, vloeibaar stikstof en een
kompas. Voor je met de proef start plaats je het kompas op de supergeleider: noteer in welke richting
en zin de naald staat.
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
1. Draai de supergeleider om en zet het kompas er opnieuw op: kijk opnieuw naar de oriëntatie
van de naald. Vergelijk met daarnet! (proef 1)
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
2. Leg nu de magneet op de supergeleider. Neem hem weer weg en zet het kompas opnieuw op
de supergeleider: kijk opnieuw naar de oriëntatie van de naald. Vergelijk met daarnet!
(proeven 1 en 2).
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
3. Oriënteert de kompasnaald zich volgens het heersende aardmagnetisch veld?
Heeft de supergeleider invloed op de stand van de naald?
4. Hoe leid je dat af?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
5. Leg de supergeleider in het polystyreen bakje en giet er voorzichtig vloeibaar stikstof over.
Laat rustig borrelen (wat is er eigenlijk aan de hand?) Wacht tot het borrelen stopt en de
bovenkant van de supergeleider zichtbaar is. Leg nu het magneetje bovenop de
supergeleider. Beschrijf wat je ziet.
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
6. Leg de supergeleider in het polystyreen bakje, leg nu eerst het magneetje bovenop de
supergeleider en giet er daarna voorzichtig vloeibaar stikstof over. Laat rustig borrelen en
wacht tot het borrelen stopt en de bovenkant van het geheel zichtbaar is. Beschrijf wat je ziet.
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
7. Vergelijk beide voorgaande situaties. Hoe leg je het zweven van de magneet enkele mm
boven de supergeleider uit?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
8. Neem magneet en stikstof weg. Zet snel de kompasnaald bovenop de supergeleider. Hoe
oriënteert ze zich?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
9. Draai de supergeleider om en zet het kompas er opnieuw op: kijk opnieuw naar de oriëntatie
van de naald. Vergelijk met daarnet!
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
10. Oriënteert de kompasnaald zich volgens het heersende aardmagnetisch veld?
Heeft de supergeleider invloed op de stand van de naald?
11. Hoe leid je dat af?
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
12. Welke conclusies trek je uit al dit onderzoek?
______________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Proefondervindelijk onderzoek
Francesca Bradamante, Marisa Michelini, Udine (I)
1. Meet het magneetveld B met een kompas
Doel: verband tussen de sterkte van het magnetisch veld B van een cilindrische magneet langs de as
gemeten en de afstand.
Methode: meet in eenheden van het aards magnetisch veld (AMV), het magnetisch veld opgewekt
door een cilindrische magneet (Bm), gebaseerd op de
afwijking die een kompasnaald in de buurt van de magneet
ondervindt ten opzichte van dat AMV.
Materialen: cilindrische magneet, kompas, millimeter grafiek
papier, pen, meetlat en kleefband.
Het experiment wordt uitgevoerd in verschillende fasen:
1. Voorbereidende fase: zoek een plaats op de vloer waar
het AMV constant is. Vermijd ijzerhoudende voorwerpen,
magneten en dergelijke. Gebruik hiervoor het kompas.
2. Organisatie:
a) Richt het grafiekpapier zo dat de korte zijde
evenwijdig ligt aan het AMV.
b) Zet de magneet loodrecht op de richting van het AMV.
3. Meting:
a) Zet het kompas om te beginnen op ongeveer 35 cm
van de magneet op de as ervan (lange zijde van het
papier. Geef de stand van de kompasnaald zo precies
mogelijk aan.
b) Zoek de waarde van Bm in eenheden van het AMV:
teken een zelfgekozen vector die het AMV voorstelt.
Neem die bijvoorbeeld 5cm lang. Deze ligt dus
evenwijdig aan de korte zijde van het papier. Bepaal daarna de componenten Bm (is de
afwijking van de werkelijke stand van de kompasnaald ten opzichte van AMV (zie schets).
4. Schuif het kompas in kleine stapjes steeds dichter naar de magneet toe (stapjes van 2 cm) en
herhaal de bovenstaande procedure. Gebruik desnoods verschillende kleuren voor de vectoren in
elke positie.
5. Zet de gegevens in de tabel en analyseer op welke manier Bm afhangt van de afstand.
6. Maak een grafiek van de gegevens en verifieer daarop de afhankelijkheid
R
(….)
Bm
(……..)
2. Meet het magneetveld B met de Hall sensor
Doel: verband tussen de sterkte van het magnetisch veld B van een cilindrische magneet langs de as
gemeten en de afstand. .
Methode: meet direct het magnetisch veld opgewekt door
een cilindrische magneet (Bm) op verschillende afstanden
Materialen: cilindrische magneet, hall sensor, millimeter
grafiek papier, pen, meetlat en kleefband.
Het experiment wordt uitgevoerd in verschillende fasen:
1. Voorbereidende fase: Richt het grafiekpapier zo dat de
lange zijde evenwijdig ligt aan het AMV.
2. Organisatie:
Zet de magneet evenwijdig aan de richting van het AMV,
dus de lange zijde van het blad.
3. Meting:
Zet de hall sensor om te beginnen op ongeveer 35 cm van
de magneet op de as ervan (lange zijde van het papier. De
gemeten waarde noemen we B.
4. Schuif de sensor in kleine stapjes steeds dichter naar de
magneet toe (stapjes van 1 cm) en noteer telkens de
waarde voor B in de tabel. Trek van deze waarde telkens
de waarde van het AMV –Baarde werd in de proef
hierboven bepaald- af: het resultaat is de sterkte van de
magneet, Bm
5. Zet de gegevens in de tabel en analyseer op welke manier
Bm afhangt van de afstand.
6. Maak een grafiek van de gegevens en verifieer daarop de afhankelijkheid.
r
(…..)
B
(….)
B- Baarde=Bm
(…….)
3. Meet het magneetveld B via de oscillaties van een kompasnaald.
Doel: verband tussen de sterkte van het magnetisch veld B van een cilindrische magneet langs de as
gemeten en de afstand. .
Methode: meet de periode van de oscillaties van een
kompasnaald op verschillende plaatsen langs de as van de
cilindrische magneet.
Materialen: cilindrische magneet, hall sensor, millimeter
grafiek papier, pen, meetlat en kleefband.
Het experiment wordt uitgevoerd in verschillende fasen:
1) Voorbereidende fase: Richt het grafiekpapier zo dat de
lange zijde evenwijdig ligt aan het AMV.
2) Organisatie:
Zet de magneet evenwijdig aan de richting van het
AMV, dus de lange zijde van het blad.
3) Meting: zet het kompas telkens 2 cm dichter bij de
magneet (begin op 35 cm) en meet de periode van 5 of
10 oscillaties. Herhaal dit drie keer en bepaal de periode
van één oscillatie.
4) De periode T hangt af van het magnetisch veld B
volgens de vergelijking:
1
k=constante
T k
B
We gebruiken deze formule om de totale magnetische
veldsterkte op de plaats van het kompas te bepalen via
1
B~ 2
T
5) Bepaal het verschil tussen de gemeten B en de Baarde: dit is Bm, de sterkte van de magneet zelf.
6) Zet de gegevens in de tabel en analyseer op welke manier Bm afhangt van de afstand.
7) Maak een grafiek van de gegevens en verifieer daarop de afhankelijkheid
r
(…..)
T
(…….)
B
(….)
B- Baarde=Bm
(…….)
Experimenten – nascholingen voor
leraren
Het nascholingsplan: overzicht
Wim Peeters, Antwerpen (B)
In dit deel leggen we de strategie uit om de kennis en de materialen die met het Supercomet2 project
opgebouwd werden, te verspreiden naar leerkrachten en, via hen, naar leerlingen.
De nascholingen voor de leerkrachten zijn verspreid over 2, 3 of 4 sessies, van telkens iets minder dan
4 uur lang. Twee ervan zijn voornamelijk gericht op de relevante “traditionele” fysica: geleiding,
magnetisme, inductie en geven ook een inleiding in de supergeleiding. De derde geeft min of meer de
theorie van de supergeleiding, en de laatste richt zich vooral op de toepassingen en de lesmethoden.
(screenshot van het schema voor het einde van de tweede sessie en het begin van de derde)
Veel materiaal is digitaal. De nascholingen moeten dan ook in een sterke ICT werkomgeving
plaatsvinden. Daarnaast zijn er een aantal kleine experimenten en ook enkele experimenten van een
hoger niveau. Het heeft dan ook de voorkeur dat en een laboratorium in de buurt is.
Via deze sessies worden alle materialen en actieve lesmethoden doorgegeven aan de leerkrachten,
klaar voor gebruik in de klas.
De nascholingsdocent moet de collega-leerkrachten voortdurend in twee verschillende rollen dwingen:
enerzijds die van lerende (zoals de leerling) die de lesmethoden aan den lijve ondervindt, en anderzijds
die van de professionele opvoeder en begeleider van een leerproces. Op deze manier wordt theorie
praktijk en ontwikkelt de leerkracht onmiddellijk een gevoel voor de richting waarin de aanpassing van
het lesmateriaal moet gaan. In deze context wordt ook veel tijd voor discussies en interactie voorzien.
Welke materialen worden er bij de sessies gebruikt?
 De computerapplicatie is natuurlijk de belangrijkste steun: ze wordt gebruikt in alle sessies en elke
module wordt grondig en op verschillende manieren bestudeerd.
 Daarbij wordt deze handleiding voortdurend
gebruikt, samen met heel wat PowerPoint
presentaties die bijkomende achtergronden geven,
zowel voor leerkrachten als voor leerlingen.
Tegelijkertijd wordt het e-platform Physible gebruikt
om de interactie tussen de gebruikers te vergroten en
ook om aan te geven hoe het als bibliotheek kan
dienen voor het uitwisselen van nieuwe materialen
en allerlei aanvullingen.
 Daarnaast hebben we ook nog een aantal eenvoudige
maar toch interessante “kleine” experimenten
voorzien.
 De nascholingen hebben tot doel alle deelnemers
door al het materiaal te loodsen, er zorg voor dragend
dat ze zowel naar inhoud als naar methode goed
begrepen en beleefd zijn.
 Er wordt ook een samenvatting van alle gebruikte
methoden aangeboden, naast de nodige media
bestanden, evaluatie middelen en vragenlijsten
Lesmethode: “Roterende hoeken”: Let op de groep
met de twee meisjes in het groen: ze bewegen in
wijzerzin van het ene kleine experiment naar het
andere. (hier: verschijnselen over magnetische inductie)
(Foto: SGC-Boechout-Belgium)
Alle informatie over de nascholingen worden ook op het
internet ter beschikking gezet via het Simplicatus
intranet.
Actieve lesmethoden
Quiz
Motivatie voor leerlingen
Spelvorm, gewonnen punten, sociale interactie, discussies
Waarom?
Snelle manier om veel onderwerpen en thema’s aan te raken, veel vraagvormen mogelijk, gebruik
van getallen, video, foto, experimenten kan ingebouwd worden. De brede waaier aan onderwerpen
laat bovendien ook nog diepgang toe.
Doel


Snelle start
Motivatie


Overzicht
Parate kennis naar boven brengen
Methode
Traditionele manier van werken. Quasi oneindig veel mogelijk vraagvormen:
 Foto’s, tekeningen, open vragen, meerkeuzevragen
 Over één module, over alle modules, geschiedenis
 Mogelijke differentiatie
 Verschillende ploegen
Let op de beloningen die gegeven worden.
Het succes van deze werkvorm hangt erg veel af van de manier waarop ze uitgevoerd en voorbereid is.
A/B-ACTIVITEITEN
Doel
.


Studenten verwerken zelfstandig in een groep informatie en geven deze aan elkaar door.
Studenten passen de verworven inhouden toe in een 'creatieve' opdracht.
Werkwijze:
Stap 1: De bedoeling van de opdrachten wordt uitgelegd. De studenten worden in groepen verdeeld
van vier of vijf. Elke student krijgt een rol toegewezen. De traditionele rollen zijn: aanvoerder,
verslaggever, planner, materiaalmeester en bemiddelaar. De studenten worden ingelicht over de
tijd die ze kunnen besteden aan de opdrachten en eventueel wordt de invulling van de rollen nog
eens overlopen.
Stap 2: De studenten voeren de A-opdracht uit. Het verwerken van informatie en bronnenmateriaal
staat hier centraal. Elke student krijgt een bronnenkaart. De informatie op de kaart wordt
individueel verwerkt en nadien doorgegeven aan alle studenten van de groep, zodat alle studenten
beschikken over dezelfde informatie. Aan de bronnenkaarten worden ook discussievragen
gekoppeld, die de studenten toelaten om eigen inzichten, voorkennis, ervaringen en visies te
introduceren en die naar een dieper begrip van de op bronnenkaarten aangeboden leerinhouden
leiden.
Voorbeeld:
1 Websites bestuderen en gebruiken
2. Werkwijze om informatie te selecteren.
3. …en die kort samen te vatten
4. Synthese
5. BIN-normen voor bronvermeldingen.
Stap 3: Nu voeren de studenten de B-opdracht uit. De informatie opgedaan in de A-opdracht dient
hiervoor als basis. De rol van de docent bestaat in deze fase vooral uit observeren, de studenten
werken zo autonoom mogelijk. Feedback van de docent vindt bij voorkeur plaats na de opdracht.
Voorbeeld: concreet invullen en waarbij de A-opdracht moet nageleefd worden:
- Zoek toepassingen van koelsystemen
- Zoek voorbeelden van magnetisme
- Zoek tijdgenoten van Newton en waar ze mee bezig waren (ev. beperken tot wetenschappers)
Stap 4: Elke groep prsenteert de uitgevoerde opdracht. Docent en studenten geven telkens de
nodige feedback en aanvullingen. Er volgt een productevaluatie (de kwaliteit van de voorstelling
en de mate waarin de informatie uit de A-opdracht werd aangewend in de B-opdracht) en een
procesevaluatie, van het samenwerkingsproces en de omgang met diversiteit binnen de
verschillende groepen.
Voorbeeld:
De verschillende opdrachten worden getoond en de resultaten doorgegeven aan de klas via pc en
beamer.
Mind map
Het principe is wel bekend
http://olc.spsd.sk.ca/DE/PD/instr/strats/mindmap/index.html:
Verbeter je Mind Maps:
 Gebruik woorden of zeer korte zinnen als informatie
 Druk ze af
 Gebruik kleur om segmenten te scheiden
 Gebruik symbolen en beelden
 Gebruik vormen, cirkels en grenzen om informatie te verbinden
 Gebruik pijlen om oorzaak en gevolg aan te geven
Wanneer kan ik het gebruiken?
Vooral in grote groepen en om te brainstormen.
Knip uit steviger papier banden en cirkels. Bespreek belangrijke onderwerpen en zet ze in sloganvorm
op het papier. Laat alle woorden, formules op papier met allerlei vormen op de grond schikken of kleef
ze op bord. Elke leerling kan op die manier bijdragen tot het geheel.
Kennisconstructie
Doel:
Studenten worden min of meer verplicht om samen te werken aan een taak doordat iedereen andere
informatie heeft.
Duur: Lesuur of deel van een les
Werkwijze:
Stap 1: Het materiaal (de leerstof) wordt verdeeld in (2, 3, 4, ...) gelijkwaardige en logische delen. Het
materiaal is zo opgesteld dat elke deelopdracht onafhankelijk van de andere deelopdrachten gemaakt
kan worden. Elke student van het groepje krijgt een andere deelopdracht.
Stap 2: Elke student bestudeert het toegewezen deel. Eventueel kunnen ondersteunende vragen of
opdrachten toegevoegd worden.
Stap 3: Uitwisseling binnen de groep: studenten presenteren aan elkaar, eventueel in het kader van
een algemene groepsopdracht.
Stap 4: De docent gaat na of alle leden al het materiaal begrijpen.
Voorbeelden:
Dit kan ook voor theorie
Korte leereenheden met cyclus: experimenten-formule-oefeningen-toepassingen
Roterende hoeken
Doel:
Studenten onderzoeken in kleine groepjes verschillende aspecten van een onderwerp.
Duur: Lesuur of deel van een les
Werkwijze:
Stap 1: De docent voorziet verschillende opdrachten voor groepjes studenten. Elke opdracht vindt
plaats in een andere `hoek' van het lokaal. Het benodigde materiaal is ook in die `hoek' aanwezig.
Stap 2: Studenten worden in groepjes verdeeld. Elk groepje gaat telkens naar een andere hoek voor
het uitvoeren van de verschillende opdrachten. De docent geeft met een vooraf afgesproken signaal
aan wanneer de groepen van hoek mogen veranderen. Vooraf moet duidelijk zijn in welke volgorde
elke groep de hoeken moet afwerken.
Je kunt hierbij rollen toewijzen. Regels voor het hanteren van de materialen in elke hoek afspreken.
Afhankelijk van je doelstelling geef je alle studenten een bundel met de opdrachten/antwoordbladen,
of geef je elke groep slechts een exemplaar. Dat laatste bevordert het samenwerken wel.
Voorbeeld:
Proeven rond de aggregatietoestanden van water
Reeks van experimenten over de invloed van de temperatuur op de weerstand
Reeks van experimenten met magneten die inductieverschijnselen illustreren
Reeks van experimenten om de valversnelling te bepalen (helling, triller, sensor, video)
Reeks van experimenten over breking van een lichtstraal
Reeks van experimenten over energievormen/omzettingen
Oefeningenreeksen
Labo-experts
Doel: studenten groeien uit tot expertgroep voor één deelexperiment; ze geven deze kennis door.
Duur: minimum een lesuur
Werkwijze:
Stap 1: BASISGROEP
De begeleider vormt groepen van bv. 4 studenten. Hij nummert de deelnemers per groep. Alle gelijke
nummers in de verschillende groepen krijgen hetzelfde experiment uit te voeren/uitgelegd. Elke groep
doorgrondt het experiment volledig, eventueel met data en grafieken, en besluiten. Daarnaast krijgen
de studenten ook de opdracht om samen te bepalen hoe ze de informatie gaan overbrengen in de
basisgroep.
Stap 2: EXPERTGROEP verdeelt zich
De deelnemers per groep roteren nu van het ene experiment naar het andere, waarbij de pas gevormde
expert de leiding heeft en uitleg geeft over de opstelling, doel, data, etc.
Stap 3: BASISGROEP
Elke `expert' brengt nu verslag uit aan de basisgroep over hun deelopdracht.
Om een extra garantie in te bouwen dat correcte informatie wordt doorgegeven, kunnen telkens twee
experts per deelthema worden voorzien. Zo kunnen studenten elkaar corrigeren en ondersteunen. Het
is ook aangewezen om de legpuzzel niet te beperken tot louter theorie, door verwerkingsopdrachten
en/of oefeningen mee te geven aan de expertgroep of laatste basisgroep.
Onderwerpen:
Oefeningen
Opdrachten
Reeks van experimenten over de invloed van de temperatuur op de weerstand
Reeks van experimenten met magneten die inductieverschijnselen illustreren
Reeks van experimenten om de valversnelling te bepalen (helling, triller, sensor, video)
Reeks van experimenten over breking van een lichtstraal
Reeks van experimenten over energievormen/omzettingen
Werken met vloeibare stikstof en magneten
Bij veel experimenten over supergeleiding heeft men vloeibare stikstof nodig. Dit is een
gevaarlijk product en moet zeer voorzichtig behandeld worden.
• Gebruik Dewarvaten of thermosflessen om kleine hoeveelheden te vervoeren, maar schroef de
houder nooit volledig dicht. De hoge druk zou anders eventueel een fles kunnen doen ontploffen!
• Kies de houders zorgvuldig, kies nooit voor glas of plastic aangezien deze (bij lage temperatuur)
zeer breekbaar zijn en bij een ongeval snijwonden kunnen veroorzaken.
• Houd de vloeibare stikstof steeds ver weg van leerlingen en studenten.
• Demonstreer hoe bepaalde voorwerpen veranderen bij zeer lage temperaturen ( bijvoorbeeld:
bevries een roos en sla ze stuk)
• Zorg er steeds voor dat de vloeibare stikstof nooit rechtstreeks in contact komt met de huid.
• Draag een veiligheidsbril en handschoenen.
• Raak voorwerpen op een zeer lage temperatuur nooit rechtstreeks aan: gebruik een pincet of tang
die niet breken.
• Zorg er ook voor dat de ruimte waarin je werkt steeds goed geventileerd is.
• Transporteer nooit vloeibare stikstof in een gesloten auto: wanneer er te veel verdampt
(bijvoorbeeld bij een ongeval) ontstaat er een gebrek aan zuurstof in de wagen, waardoor
bewusteloosheid of erger kan voorkomen.
Werken met magneten
Sommige magneten (gemaakt van Neodymium) kunnen erg krachtig zijn en moeten met veel aandacht
behandeld worden:
• Hou magneten altijd ver van computers, floppy disks, banden en kredietkaarten.
• Draag een veiligheidsbril voor het geval twee magneten heel hard tegen elkaar slaan en er
splinters af vliegen.
• Zorg er voor dat je vingers of hand nooit tussen twee magneten geklemd raken.
• Hou krachtige magneten zo ver mogelijk uit elkaar.
• Wanneer twee krachtige magneten toch tegen elkaar zouden plakken, schuif ze lateraal van elkaar
in plaats van ze van elkaar weg te trekken.
Experimenten met verhef-verschijnselen: levitatie
Wim Peeters, Antwerpen (B)
Materiaal nodig voor de activiteiten
Vloeibare stikstof – een Dewarvat met ongeveer 1 liter vloeibare stikstof
Plastic/piepschuim bekers
Pyrex petrischaaltjes
Pyrex beker
Supergeleidingskit. De eenvoudigste kit bevat een kleine en een grote neodymium magneet Dit
volstaat om levitatie en vastpin-effect te demonstreren.
6. Een set van verschillende LED’s telkens verbonden met een batterij of bron, zodat ze kunnen
schijnen. Zij zijn gesoldeerd aan lange draden (met een geschikte weerstand in serie) zo dat ze
in vloeibare stikstof kunnen ondergedompeld worden.
7. Een set ringmagneten en een vertikaal opstaand houten stokje waar ze rond passen.
8. Een koperen buis (0,30m)
9. Toegang tot de SUPERCOMET2 CD ROM en computers
10. Toegang tot het internet (niet essentieel)
11. Naslagmateriaal (artikelen, boeken,...)
1.
2.
3.
4.
5.
Demonstraties
Demonstratie 1: Vloeibare stikstof is erg koud
Demonstreer hoe koud vloeibare stikstof is en dat er eigenaardige dingen kunnen gebeuren:
 Bevries een blad sla of een bloem en sla ze in stukken (het lijkt op brekend fijn glas!)
 Bevries een kleine tomaat aan een stokje en gebruik dit als hamer om een spijkertje in een
stukje hout te slaan
 Een rubberen darm die “diepgevroren” wordt kun je ook zo in kleine stukjes slaan met een
hamer. Kijk hoelang het rubber er over doet om weer “normaal” te worden. Waarom duurt dit
zo lang?
 Een ballon dit een beetje opgeblazen is onderdompelen en daarna in de open lucht weer op
kamertemperatuur brengen
Demonstratie 2 – Lanceer-ring van een koperen of aluminium ring
De opspringende ring rond de omhoogstaande weekijzeren kern van een spoel die plots bekrachtigd
wordt is wel bekend en goed beschreven. De toegevoegde waarde in dit geval is het volgende: wanneer
de ring tot 77 K wordt afgekoeld wordt de weerstand zeer klein zodat de inductie veel grotere stromen
tot gevolg heeft, een veel sterker afstotend veld wordt veroorzaakt waardoor de ring veel hoger
opvliegt. Samen met de andere experimenten brengt dit elementen aan die tot een beter begrip van
supergeleiding als verschijnsel leiden.
De meeste scholen beschikken over een spoel, met weekijzeren kern, en meestal één volledige ring
(naast een ring die doorgesneden is). De ring speelt de rol van secundair met één winding, terwijl de
spoel de primair is, met veel windingen. Wanneer de primair in een wisselstroomkring geplaatst wordt
en opgezet, vliegt de ring die rond de weekijzeren kern ligt omhoog.
Giet wat vloeibare stikstof in een geïsoleerde beker en dompel daar de ring voorzichtig in (tang
gebruiken, en ook veiligheidsbril en handschoenen!). Wanneer geen kookbellen van de stikstof meer
zichtbaar zijn haal je de ring er uit, legt hem rond de kern en herhaalt het experiment: nu kan de ring
gemakkelijk tot aan het plafond vliegen. Zorg er natuurlijk voor dat de ring niet in je gezicht vliegt,
geen lampen kan raken en ook geen andere schade kan toebrengen.
Demonstratie 3: Koud licht - LED’s in vloeibare stikstof
Wanneer een brandende LED (light emitting diode) afkoelt is het zeer belangrijk zo precies mogelijk
waar te nemen wat er gebeurt. Soms stijgt de lichtintensiteit eerst, vooraleer ze daalt. Soms daalt ze
ineens om volledig te doven, soms daalt de intensiteit, maar dooft het LEDje niet helemaal. Dit hangt
af van het gebruikte LEDje (kleur, merk). Meestal treedt er ook een verschuiving van de kleur naar
rood op. Dit kan eventueel gemeten worden met een digitale spectrometer. Een verklaring voor deze
verschijnselen moet gezocht worden in de theorie van verontreinigende halfgeleidende materialen. De
energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband bij dit soort van PN juncties van
halfgeleiders is van cruciaal belang. Zo is het duidelijk dat de kloof verbreedt bij dalende temperaturen
waardoor minder elektronovergangen mogelijk zijn (lagere intensiteit), anders gezegd, de weerstand
stijgt. Een halfgeleider is een NTC.
Dit experiment is belangrijk in de context van supergeleiding omdat de overgang van het elektron van
geleidingsband naar valentieband gepaard gaat met energieverlies, ofwel in de vorm van een foton
(zichtbaar bij de juiste energieverliezen), ofwel in de vorm van roostertrillingen (fononen). Fononen
zijn een belangrijk begrip om Cooperparen te beschrijven, die op hun beurt weer nodig zijn om type I
supergeleiding te verklaren.
Verbind een LEDje met een batterij of bron zodat het duidelijk brandt. Zorg er voor dat heel de klas
kan zien wet er gebeurt: giet de vloeibare stikstof in een doorzichtige pyrex beker en dompel daar het
LEDje in. Gebruik LEDjes van verschillende kleuren en fabrikanten. Laat de leerlingen de nodige
waarnemingen doen!
Demonstratie 4: Vallende magneten
Hiervoor heb je een koperen buis van ongeveer 0,30m nodig, een neodymium magneetje en een stukje
ijzer van ongeveer dezelfde vorm. Het ijzeren voorwerp valt zoals de valbeweging beschrijft:
s = ½at²
Maar wanneer het neodymium magneetje door de buis gaat duurt het wel 4 of 5 seconden voor het
weer te voorschijn komt. Wanneer je een koperen buis met een diameter van 0,014m gebruikt en een
neodymium magneet met diameter 0,011m (hoogte 0,05m) dan duurt de “val” ongeveer 5s.
Het doel van deze demonstratie is eerst en vooral om te tonen dat het verschijnsel geen eenvoudig
magnetisch verschijnsel is aangezien koper niet magnetisch is. Ten tweede wordt het begrip
geïnduceerde stroom hier ingeleid, welke op hun beurt een (tegengesteld) magnetisch veld opwekken.
Dit verschijnsel is pas echt goed zichtbaar bij zeer sterke magneten. Men kan eventueel zelfs een
kwantitatieve berekening doen op basis van veranderingen van het magnetisch veld. Wanneer de
leerlingen echter te weinig wiskundige basis hebben hoeft dit niet.
Demonstratie 5: Levitatie van een magneet boven een supergeleider
Deze demonstraties zijn misschien niet nieuw maar laten de deelnemers toe om enkele kleine
experimenten ter beschikking te hebben die ze kunnen koppelen aan de theorie. De wisselwerking
tussen deze beide werkvormen kan in onze opinie enkel positief bijdragen. Het tweede is echter minder
bekend, en zal de betere en geïnteresseerde student zeker aanspreken.
Materiaal: zeldzame aardmagneten en supergeleidend schijfje
Het is nodig en nuttig het materiaal dat gebruikt wordt even toe te lichten: de zeldzame aardmagneten
en de supergeleiders.
De neodymium magneten zijn licht en zeer sterk. Je kan gemakkelijk een fiets hangen aan een magneet
van ongeveer 150 g! Ze zijn zeer fascinerend en hebben de neiging te “verdwijnen”: hou ze goed in het
oog! Hou ze ook ver van allerlei voorwerpen die gevoelig zijn voor magneten: je krijgt ze nauwelijks
los van een gewone ijzeren stoelpoot, ze zouden bankkaarten, banden en elektronica kunnen
beschadigen. Ze breken heel snel en zijn snel beschadigd.
Supergeleiders zien er niet erg interessant uit – een donker schijfje, zoals gebakken klei, erg breekbaar,
niet spectaculair. Zo’n schijfje is niet magnetisch (toon aan!)
Magie van de natuurkunde: levitatie
Levitatie 1
Leg het supergeleidend schijfje in een plat schaaltje van piepschuim (bodem van een beker, pyrex
petrischaaltje). Voeg de vloeibare stikstof toe: de vloeistof begint te koken. Wacht tot er geen
kookbellen meer zijn. Neem met een plastic pincet of tangetje een magneetje vast en breng het tot
boven de supergeleider. Het magneetje blijft zweven op een bepaalde hoogte (schat de hoogte). Blaas
met een rietje op de magneet: het begint te draaien, en het draait een tijdje verder.
Wacht tot de vloeibare stikstof helemaal verdampt is en blijf kijken naar de proef. Je ziet de afstand
tussen het magneetje en de supergeleider geleidelijk aan verkleinen, tot het magneetje zachtjes op de
supergeleider “landt”. Op dit moment is de geleider niet meer supergeleidend. Wacht verder tot alles
weer op kamertemperatuur is gekomen.
Levitatie 2
Herhaal heel het experiment, MAAR leg nu het magneetje van het begin af aan op de supergeleider.
Giet dan pas de vloeibare stikstof in het schaaltje. Na een tijdje begint het magneetje te zweven, maar
niet zo hoog als bij het eerste
experiment. Zorg ervoor dat de
leerlingen dit verschil opmerken. Laat
alles opnieuw opwarmen en let
opnieuw op het uitdoven van het
effect.
Levitatie 3
Leg het supergeleidend schijfje in een
plat schaaltje van piepschuim (bodem
van een beker, pyrex petrischaaltje).
Voeg de vloeibare stikstof toe: de
vloeistof begint te koken. Wacht tot er
geen kookbellen meer zijn. Neem met
een plastic pincet of tangetje een
STERK magneetje vast en breng het
tot boven de supergeleider. Het
magneetje zal NIET mooi blijven zweven boven de supergeleider. Het wordt weg geduwd. Hou het
magneetje goed vast en DUW het in de richting van de supergeleider: wanneer je los laat blijft het nu
wel hangen. Duw er lichtjes tegen en het begint te wiebelen, maar het blijft zweven. Zorg ervoor dat de
klas dit duidelijk ziet. Probeer nu de sterke magneet te draaien, of in een andere positie te krijgen
(kantelen): dit lukt niet. Het magneetje zit “vast” in het magnetisch veld.
Levitatie 3bis
Deze demonstratie is analoog aan de vorige, alleen gaat de supergeleider nu zweven. Leg de
supergeleider in het schaaltje en voeg vloeibare stikstof toe. Wanneer het koken stopt breng en duw je
een grote magneet in de richting van de supergeleider. Hef de magneet nu voorzichtig vertikaal op…de
supergeleider blijft eraan “hangen”. Merk op dat er ruimte is tussen magneet en supergeleider.
Herhaal ook “levitatie 1” van hierboven, maar duw de zwevende magneet lichtjes opzij…het keert
terug naar zijn oorspronkelijke positie! Draai de magneet bij een volgende proef eens om (andere
pool)… het verschijnsel blijft hetzelfde! Het werkt altijd!
Levitatie 4
Herhaal demonstratie 3, maar leg de sterke magneet nu van meet af aan op de supergeleider. Voeg
vloeibare stikstof toe. Wacht lang genoeg…er gebeurt “niets”. Hef nu de magneet op en stel vast dat
de supergeleider aan de magneet blijft hangen. De supergeleider (of de magneet) kan omgedraaid
worden zonder dat dit het effect beïnvloedt. Laat de supergeleider, terwijl hij “vasthangt” roteren rond
zijn as…
Denkvragen
Deze vragen kunnen het best geïntegreerd worden in de demonstratie, bij de waarnemingen en
besprekingen.
Algemeen
Waarom komen er in de vloeibare stikstof bellen wanneer er een voorwerp in ondergedompeld wordt?
Waarom gaat de vloeistof koken wanneer ze over een “warm” voorwerp gegoten wordt? Kookt het
zoals water? Welke warmteomzettingen vinden er hierbij plaats?
Voor alle levitatie demonstraties en de zwevende supergeleider:
1. Waarom ebt het effect slechts traag en geleidelijk aan weg?
2. Waarom word teen kleine magneet gebruikt bij de demonstratie van levitatie en de grote magneet
voor het opheffen van de supergeleider?
Lanceer-ring
1. Wat was het verschil tussen de twee gevallen?
2. Waarom springt de ring omhoog?
3. Waarom springt de ring veel hoger op het moment dat de ring afgekoeld was?
(De studenten kunnen hier steunen op hun (voor)kennis van elektromagnetische inductie, de
magnetische werking van een elektrische stroom en op de wet van Lenz. Zij weten ook dat de
weerstand van een gewone geleider daalt bij dalende temperatuur. Veel leerlingen hebben deze
verklaring gekregen in termen van roosterenergie (trillende roosterïonen).)
LED’s
1. Wat gebeurt er?
2. Gebruik je kennis over geleidingsbanden en valentiebanden om mogelijke verklaringen te
vinden op atomair vlak.
Levitatie (groepswerk met de ringmagneetjes)
1. Waarom blijft het ene magneetje niet juist boven het andere zweven (in het geval van
afstoting)? Waarom heb je een houten stokje nodig om het stabiel te krijgen? Waarom blijft het
magneetje boven de supergeleider wél op zijn plaats?
2. Teken het magnetisch veld tussen de verschillende ringmagneetjes.
3. Schets het magnetisch veld tussen de supergeleider en de zwevende magneet erboven.
(Studenten zouden hiervoor magnetische veldlijnenpatronen moeten kunnen tekenen, in het
bijzonder de gevallen van afstotende magneten.)
De zwevende magneet keert terug naar evenwicht na storing
1. Probeer je voor te stellen wat er tussen de magneet en de supergeleider gaande is (welke krachten) dat er
voor zorgt dat de magneet terug naar zijn oorspronkelijke positie keert wanneer het een zijwaartse
storing (duwtje) heeft gekregen.
2. Waarom ebt het effect slechts traag en geleidelijk aan weg?
3. Wat is precies het verschil tussen de zwevende magneet boven de supergeleider en de zwevende
ringmagneetjes?
De zwevende magneet draait
1. Waarom blijft het magneetje nog een tijdje verder draaien men stopt met blazen?
2. Waarom stopt het draaien na een tijdje?
3. Wanneer het magneetje een kubus of een cilinder is, zou dat een verschil geven of het langer of
korter door blijft draaien? Waarom?
4. Welke theorie kun je zelf opbouwen om te verklaren dat het magneetje zweeft boven de
supergeleider?
De supergeleider opheffen
1. Welke zijn de overeenkomsten en de verschillen tussen het opheffen en de levitatie
demonstraties?
2. Wat houdt de supergeleider heel dicht bij, maar niet rakend, bij de magneet?
3. Tracht je voor te stellen hoe het magnetisch veld tussen beide er uit zou zien.
4. Welke theorie kun je zelf opbouwen om dit te verklaren?
Uit al deze demonstraties zouden de leerlingen duidelijk moeten kunnen opmaken dat er een
aantrekkende/vasthoudende kracht is aan de ene zijde en ook een afstotende. Misschien kunnen zij
zelfs een begin geven van een schets van veldlijnen die beide krachten weergeven.
Enkele opmerkingen over de demonstraties
De supergeleiders in de kit zijn van type II supergeleiders. Type II toont het vastpin-effect (de
magneet blijft boven de supergeleider zweven, zelfs al krijgt hij een zijwaarts duwtje én het levitatie
effect. Type I vertonen alleen levitatie (het Meissner effect). Kijk naar de computerapplicatie (CD
ROM of internet) om de eigenschappen van beide beter te bestuderen.
Het is niet zo dat type I supergeleiders lage temperatuur supergeleiders zijn en type II hogetemperatuur supergeleiders. De classificatie hoge/lage temperatuur wordt door specialisten niet
gewaardeerd en is een beetje arbitrair. De hoge temperatuur supergeleiders zijn diegenen die een
kritische temperatuur hebben boven de 77K – (kookpunt van vloeibare stikstof) en heeft a priori niets
te maken met het type!
Doe-proeven over magnetische en
elektromagnetische verschijnselen
Barbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Udine (I)
1 – Magnetische bootjes
Twee magneten worden op een stukje piepschuim
gehecht en drijven op water. Wanneer de ene zijn
zuidpool richt naar de andere zijn noordpool merken we
dat ze elkaar aantrekken. Wanneer we dezelfde polen
naar elkaar richten zal één van de twee bootjes zicht
draaien om de aantrekking te laten plaats vinden.
2 – Invloed van de afstand bij
magnetische wisselwerkingen
De afstand beïnvloedt de aantrekkende wisselwerking
tussen magneten. Dit kan ook getest worden: hoe verder
uit elkaar, hoe zwakker de aantrekking.
3 – Een meting van de afstotende kracht tussen magneten en hun
onderlinge afstand.
Twee magneten worden in een doorzichtige buis boven
elkaar gehouden, dankzij de afstotende kracht. We meten
de afstand tussen de twee magneten. We wegen het
bovenste magneetje: het gewicht ervan is gelijk aan de
afstotende kracht op die afstand. Daarna verzwaren we
het bovenste magneetje met niet-magnetisch materiaal
(telkens wegen!). Hoe zwaarder het bovenste magneetje,
hoe dichter ze bij elkaar komen. Op die manier kan een
afstand-kracht tabel en overeenkomstige grafiek
opgesteld worden. Vind de relatie tussen beide
grootheden.
4 – Gedrag van twee opgespannen veren
Twee dynamometers worden vastgemaakt aan de
uiteinden van twee magneten die in een doorzichtig buisje
gehouden worden. Deze magneten trekken elkaar aan. We
plaatsen tussen de twee polen een rond stukje plastic van
variërende dikten d (van tienden van een mm tot enkele
mm). Dan trekken we de dynamometers uit elkaar en
noteren de kracht FL waarbij de twee magneten (bij die
afstand) elkaar loslaten. Opnieuw doen we dit voor
verschillende afstanden, stellen en tabel en grafiek op.
Analyse levert een relatie FL*dn=const, met n>2.
5 – Meet het magnetisch veld B met een
kompas
Richt een blad papier zo dat de korte zijde evenwijdig ligt aan
het aards magnetisch veld (AMV, op de foto horizontaal), Zet
de magneet loodrecht op de richting van het AMV (onderaan
op de foto).
Zet het kompas om te beginnen op ongeveer 33 cm van de
magneet op de as ervan (lange zijde van het papier. De
magneet zal de stand van de kompasnaald beïnvloeden: ze trekt
de naald schuin. Duid de stand van de kompasnaald zo precies
mogelijk aan. Zoek de waarde van Bm in eenheden van het
AMV: teken een zelfgekozen vector Bt die het AMV voorstelt.
Neem die bijvoorbeeld 5cm lang. Deze ligt dus evenwijdig aan
de korte zijde van het papier. Bepaal daarna de component Bm
(is de afwijking van de werkelijke stand van de kompasnaald
ten opzichte van AMV (zie schets).
Schuif het kompas in kleine stapjes steeds dichter naar de magneet toe (stapjes van 3 cm) en herhaal de
bovenstaande procedure. Gebruik desnoods verschillende kleuren voor de vectoren in elke positie.
Op de foto hierboven staat een resultaat, met een zeer
sterke magneet, waardoor de afstanden veel groter kunnen
genomen worden. Op de schets ernaast de resultaten voor
de afstanden 21 cm, 18 cm, …, 9 cm. De waarden van Bm
zijn relatief. Toch kan men een analyse doen van de
relatie tussen de afstand van de magneet tot het kompas en
de sterkte van de kracht die ze op dat kompas uitoefent (Bm). Deze relatie is Bm*d³= const.
6 – IJzervijlsel en magneten
We nemen een doosje van een cd en strooien daar ijzervijlsel in. Een magneet wordt dichterbij
gebracht: het ijzervijlsel oriënteert zich in een bepaald patroon. Vooral rond de polen is dat duidelijk.
Daar lijken ze lijnen te vormen die loodrecht van op het doosje vertrekken, anderen liggen in het vlak.
De ruimte in de buurt van de magneet heeft een “nieuwe” eigenschap: ze herbergt een “magnetisch
veld”. De stand van het ijzervijlsel maakt dit veld zichtbaar, en geeft er allerlei informatie over.
Wanneer we het doosje draaien blijft het patroon hetzelfde: het veld is dus karakteristiek voor de
ruimte rond de magneet, niet voor het doosje zelf.
7 – Beweging in een magnetisch veld
Een stalen knikker wordt van een helling gerold. Zonder storing zal de bal in het verlengde van de
helling verder rollen. Maar wanneer een magneet naast de baan opgesteld wordt (op variërende
afstanden) wordt de baan afgebogen naar de magneet toe. Zijn snelheid verandert en zijn baan ook.
(zie foto en situatieschets). De stalen knikker volgt
echter de magnetische veldlijnen niet. De kracht die
het veld uitoefent tijdens de passage buigt de baan. De
afleiding van de kracht die de magneet uitoefent op de
knikker uit de verandering van de baan is zeer
moeilijk.
8 – Onderzoek van magnetische effecten van
een elektrische stroom
Twee kompassen worden in de buurt van een stroomvoerende
geleider gezet. We merken op dat de naalden in elke positie ten
opzichte van de draad steeds loodrecht op de draden staan. Boven
en onder de draad staan de naalden tegengesteld gericht. Wanneer
de stroomrichting omgekeerd wordt keert ook de aanwijsrichting
van de naalden om.
De magnetische kracht werkt dus loodrecht op de richting van de stroom.
Het veld werkt onder en boven de draad. De richting van de kracht
is afhankelijk van de richting van de stroom.
9 – Het magnetisch veld in de buurt van een stroomvoerende draad.
Verschillende kompassen worden rond een vertikaal opgehangen stroomvoerende draad geplaatst. Alle
naalden wijzen naar het noorden. Wanneer de stroom aangezet wordt staan de naalden zo dat ze een
cirkel vormen, loodrecht op de draad en met als centrum de draad zelf.
Wanneer ijzervijlsel gestrooid wordt in een vlak loodrecht op de draad vormen die ook concentrische
cirkels rond de draad. Dit effect is dicht bij de draad (en ook wanneer er meer stroom door de draad
gaat) veel duidelijker dan verder af.
Het magneetveld dat door een stroomvoerende draad wordt opgewekt staat steeds loodrecht op de
draad.
10 – De wisselwerking tussen een magneet en
een stroomvoerende spoel
Een stroomvoerende spoel wordt, afhankelijk van de
stroomrichting, aangetrokken of afgestoten door een magneet.
Het effect wordt versterkt wanneer een weekijzeren kern in de
spoel wordt geplaatst.
Een stroomvoerende spoel gedraagt zich als een staafmagneet.
11 – Wisselwerking tussen kleine stroomvoerende spoelen
Twee stroomvoerende ringen die tegenover elkaar opgehangen worden trekken elkaar aan of stoten
elkaar af, net zoals staafmagneten. De richting van de kracht hangt af van de stroomrichtingen door de
spoelen.
12 – Wisselwerking tussen
stroomvoerende spoelen
Twee stroomvoerende spoelen, met een groter aantal
windingen, tegenover elkaar opgehangen, trekken
elkaar aan of stoten elkaar af, net zoals staafmagneten.
De richting van de kracht hangt af van de
stroomrichtingen door de spoelen. De kracht zelf is, bij
dezelfde stroomsterkte(!), afhankelijk van het aantal
windingen.
Hoe maak je een eigen
supergeleider
Bernadette Schorn, Munich (D)
De kritische temperatuur (Tc) van YBaCu supergeleiders is ongeveer
80K, hoog genoeg om te bereiken met goedkope vloeibare stikstof
(77K). Het is dus best mogelijk met deze supergeleiders te
experimenteren en zelfs om de schijfjes op school te
maken. Het recept voor het bakken van dergelijke
supergeleiders lijkt op dat van een cake: neem drie
verschillende poeders in de volgende hoeveelheden:
yttriumoxide: 0,565g;
bariumcarbonaat: 1,97g;
koperoxide: 1,19g.
Meng ze grondig en verpulver het mengsel in een mortier
tot je een homogeen poeder hebt.
Pers hieruit een aantal schijfjes (tabletten).
Dan moeten de tabletten ongeveer een dag lang op 950°C gebakken
worden in een speciale oven. Dan moeten ze nog stapsgwijs afgekoeld
worden: dit duurt ook een dag.
Na dit procedé moeten ze opnieuw verpulverd worden én opnieuw, maar nu gedurende langere tijd,
gebakken. Nadat het geleidelijke afkoelen moet er getest worden.
Dit kan met het volgende eenvoudige experiment:
Wanneer het om een klein tabletje gaat kan men best een
ringmagneetje nemen, alles sterk afkoelen en dan zal het
supergeleidend tabletje erboven gaan zweven. Dit duurt maar enkele
seconden, omdat het tabletje snel opwarmt tot boven haar Tc .
Een andere mogelijkheid is een groot zelfgemaakt tablet in vloeibare
stikstof houden. Wanneer een sterke magneet erboven gehouden wordt kan men bepalen of het tablet
supergeleidend is.
Om het Meissner-Ochsenfeld-Effect te zien moet men de magneet
op het tablet leggen bij kamertemperatuur. Volgens de klassieke
wetten zou zweven niet mogen voorkomen aangezien het
magnetisch veld niet meer verandert. Maar na afkoeling gebeurt dit
toch. We kunnen hieruit afleiden dat een supergeleider een perfecte
diamagneet is.
De kritische temperatuur van een supergeleider
meten
Gren Ireson, Loughborough (UK)
Dit artikel werd in het Engels gepubliceerd in “Physics education”, 6/41, p. 556
http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/41/6/012/pe6_6_012.pdf?request-id=yjmElR973BG1YQd3Ai7Kg
Inhoud
In deze teksten stellen we een methode voor, met resultaten, om op een eenvoudige manier een meting
te doen van de overgangstemperatuur (kritische temperatuur) van een supergeleidend materiaal. Dit
kan in een lab uit het gewone voortgezet onderwijs, met meetapparatuur die daar normaal voorhanden
is. Men heeft ook een beetje vloeibare stikstof nodig.
Inleiding
In ”Physics education” werd recent verslag uitgebracht over een Braziliaanse manier om leerkrachten
uit het secundair onderwijs voor te bereiden op het geven van supergeleiding in de klas. (Ostermann
and Ferreira, 2006). Het zal echter voor veel lezers nieuw zijn dat een Europees project hetzelfde
thema behandelt, namelijk SUPERCOMET2, met 15 deelnemende Europese landen.
SUPERCOMET (Superconductivity Multimedia Educational Tool) is gebaseerd op een aantal
multimedia modules over elektriciteit, magnetisme, elektromagnetisme en supergeleiding, (Earle et al,
2004). Dit werk werd in het Engels, Italiaans, Noors en Sloveens vertaald. SUPERCOMET2 werkt
hieraan verder en houdt onder andere een herzien nascholingsschema en een aantal experimenten in,
zodat leerkrachten hun kennis kunnen actualiseren en kansen kunnen benutten om op school een aantal
experimenteeractiviteiten uit te voeren. In 2007 wordt al dit werk vertaald gepubliceerd in alle
deelnemende landen.
In het nascholingsprogramma kunnen deelnemers de kritische temperatuur meten van een YBCO 3
supergeleider. De methode en enkele resultaten van het experiment zoals het uitgevoerd werd in het
laatste nascholingsprogramma in Loughborough, Verenenigd Koninkrijk (maart 2006), worden
beschreven.
Het meten van een weerstand
In theorie is de meting eenvoudig: bij welke temperatuur daalt de weerstand tot nul? Leerlingen uit het
VO zijn vertrouwd met het meten van een weerstand via de wet van Ohm4 en dit vormt ook de basis
van de gebruikte methode. De typische opstelling uit figuur 1, kan echter helaas niet gebruikt worden.
supergeleider
Figuur 1: eenvoudige meting van
een weerstand
3
YBCO of YBa2Cu3O7 werd in 1986 ontdekt en was de eerste supergeleider die een kritische temperatuur had boven het
kookpunt van vloeibare stikstof (77K).
4
Hoewel YBCO een niet-metaal is kan het in eerste benadering als een Ohmse geleider worden beschouwd, net zoals
andere niet-metalen met hoge weerstand.
Om een weerstand te meten die plots naar nul daalt, dat wil zeggen dat de stroom door het materiaal
stroomt zonder een potentiaalverschil te doorlopen, moet de 4-punt-contact methode gebruikt worden,
zie figuur 2:
Er zijn vier draden verbonden met het materiaal: twee ervan om de stroom I door het materiaal aan en
af te voeren, en twee om het potentiaalverschil (spanning) U over (een deel van) de supergeleider te
meten. In het twee paar draden loopt geen stroom, dus met contactweerstanden moet geen rekening
gehouden worden. De weerstand tussen de twee contactpunten van het tweede paar draden is dan R =
U/I (wet van Ohm (Annett, 2004)).
Figuur 2: 4-punt-contact
methode voor het bepalen van
de weerstand
A
Supergeleider
V
Het verband tussen de soortelijke weerstand ρ en de weerstand R wordt gegeven door:
met L de lengte en A de
doorsnede van de geleider.
Dit betekent dat het meten
van R = 0 bij een eindige I
impliceert dat ρ nul moet
zijn.
R
L
A
A
Het meten van de
V
temperatuur
Wetende dat de kritische
temperatuur van YBCO 92K
is (zie Annett, 2004), moet er
gezocht worden naar een
geschikt thermokoppel om
de temperatuur te meten. Een Naar het thermokoppel
thermokoppel geeft een
Supergeleider
spanning aan de uitgang (
typisch in het mV gebied)
zodat de leerlingen eerst een ijking van het koppel uitvoeren. In dit geval werd een tabel gegeven met
typische waarden voor spanning en overeenkomstige temperatuur, waaruit een omzettingsformule
gevonden moest worden.
De proefopstelling
Een staal met daarop 4 contactpunten kan men ofwel kopen, ofwel men moet de draden zelf op het
materiaal hechten. Het thermokoppel wordt met geleidende zilververf
Figuur 3: een 4-punt
verbonden.
contact met zilververf
Het SUPERCOMET2 project wil aangeven hoe de stalen voor dit experiment zelf gemaakt kunnen
worden, maar bij voornoemd experiment werd commercieel materiaal gebruikt van Colorado
Superconductors, http://www.users.qwest.net/~csconductor/. De contacten werden rechtstreeks op het
staal aangebracht tijdens de productie en beschermd met een laagje messing.
Figuur 4 toont de proefopstelling:
Thermokoppel draden, naar voltmeter 2
Naar ampèmeter en
variabele weerstand
Naar voltmeter 1
Geïsoleerd drinkbekertje
Aluminium drinkbeker
4-punt contact opstelling*
Glazen korrels beads
*
Overgenomen van
http://www.users.qwest.net
/~csconductor/, op
25.04.06
Figuur 4: de proefopstelling
Methode
Een variabele weerstand wordt zo geschakeld dat de stroomsterkte (door de zwarte leidingen), constant
is en niet meer dan 0,5 A bedraagt (het onderstaande resultaat is gebaseerd op een stroomsterkte van
0,40A). Supergeleidende materialen hebben een kritische stroomsterkte, Ic, die een grens zet aan de
supergeleidbaarheid. Blijven we onder die waarde dan is er geen probleem. Daarom wordt een
grenswaarde van 0,5A aangehouden.
De binnenste houder is gevuld met vloeibare stikstof tot de aflezing op voltmeter 1 daalt tot nul.
Telkens als er een verandering werd vastgesteld op voltmeter 1, werden de waarden op beide
voltmeters afgelezen en genoteerd in een rekenblad.
Door eenvoudigweg de wet van Ohm om te rekenen naar R = U/I kan de weerstand berekend worden
uit de waarde afgelezen op voltmeter 1 (samen met de constant gehouden waarde voor de
stroomsterkte); de ijktabel (of ijkgrafiek) geeft de mogelijkheid om de aflezing van voltmeter 2 om te
zetten in een temperatuur.
Figuur 5a toont de omzettingstabel die leidt tot een omzettingsformule geldig voor het gebruikte
thermokoppel en figuur 5b toont de ruwe gegevens die verzameld werden:
Figuur 5a: omzettingsgegevens voor het thermokoppel
Temperatuur/K
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
Deze gegevens leiden tot de omzettingsvergelijking:
Spanning/mV
7.60
6.92
6.29
5.90
5.52
5.16
4.81
4.46
4.11
3.76
3.43
3.12
2.83
2.52
2.23
1.93
1.64
1.39
1.14
0.89
0.65
0.40
0.20
0.00
-0.20
T = 1.77U2 - 43.80U + 288.67
Uit de aflezing van de spanning op het thermokoppel (U) kan via
vergelijking de heersende temperatuur berekend worden.
V1(V)
0.0
0.0
0.0
0.0
0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
Stroomsterkte
(A)
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
Weerstand(Ω)
0.0
0.0
0.0
0.0
0.5
1.3
1.5
1.8
2.0
V2(mV)
6.3
6.2
6.1
6.0
5.9
5.9
5.9
5.9
5.9
Temperatuur(K)
83.0
85.1
87.3
89.6
91.8
91.8
91.8
91.8
91.8
Figuur 5b: ruwe metingen
0.9
1.0
1.0
1.1
1.1
1.1
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
2.3
2.5
2.5
2.8
2.8
2.8
5.8
5.8
5.7
5.6
5.5
5.4
94.2
94.2
96.5
98.9
101.3
103.8
De glazen korrels hebben een grote warmtecapaciteit zodat de temperatuur niet te snel stijgt. Hierdoor
is er meer tijd om beide voltmeters af te lezen.
Resultaten
Door gebruik te maken van een eenvoudig rekenblad is het mogelijk de weerstand en de temperatuur te
bepalen. De grafiek hiervan is te zien in figuur 6. De kritische temperatuur is de hoogste waarde
waarbij de weerstand nog nul is.
Kritische temperatuur: ~90K
3.0
Weerstand (Ω)
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
80.0
85.0
90.0
95.0
100.0
105.0
Temperatuur (K)
Figuur 6: grafiek waaruit de kritische temperatuur kan afgeleid worden
Referenties (overwegend Engels)
Annett, J. F. (2004) Superconductivity, Superfluids and Condensates, Oxford, Oxford University Press.
Earle, A., Frost, J., Engstrøm, V., Čepič, M., Planinšič, G., Ireson, G. And Ciapperelli, S. (2004)
SUPERCOMET Superconductivity Multimedia Educational Tool, Trondheim, Simplicatus.
Ostermann, F and Ferreira, L M (2006) Preparing teachers to discuss superconductivity at high school
level: a didactical approach, Physics Education 41 (1) pp 34-41
Evaluatie
Basisinformatie
Het beschreven materiaal wordt u aangeboden om te gebruiken en aan te passen aan uw specifieke
situatie. Niet alles ervan moet gebruikt worden omdat het misschien eenvoudigweg niet in het
evaluatiesysteem past. Alle evaluatiemateriaal werd door de partners aan het project aangereikt 5. Alle
bladen hebben een ruimte voorzien van een code voor de klas/leerkracht/leerling. Op die manier
kunnen resultaten met elkaar in verband gebracht worden indien dat wenselijk is. Dit mag weggelaten
worden en vervangen door de naam van de leerling.
Beoordeling van het materiaal door experts
Wanneer je een beoordeling van het materiaal maakt, kan dat op twee manieren. De eerste is de
oorspronkelijke manier, zoals in de eerste ronde. Maar er is daarnaast ook een (Engelse) vertaling van
een beoordelingsblad zoals de Spaanse partners in Murcia6 gebruiken voor hun onderzoek over
hypermedia. Het is algemener omdat het enkele interessante bijkomende vragen bevat die gebruikt
kunnen worden in eigen onderzoek:
-> Expert_review_no_1.exe (een programma dat op de computer uitgevoerd kan worden- SC
Intranet)
Opmerkingen van leerkrachten op het materiaal
Dit is materiaal dat snel en eenvoudig gebruikt kan worden om snel terugkoppeling te krijgen van
leerkrachten:
 Suggesties voor specifieke vragen voor doelgroepen, of voor een online discussie
 Vragenlijst
DE ICT achtergrond van leerlingen
Soms is het nuttig goed op de hoogte te zijn van de kennis en vaardigheden op het vlak van ICT van
leerlingen omdat dit het gebruik en het rendement van het digitale materiaal beïnvloedt. Deze
vragenlijst moet echter pas gebruikt worden wanneer er genoeg tijd voor is, aangezien het belangrijker
is de leerlingen hun mening te kennen over het materiaal (zie volgende paragraaf).
De mening van de leerlingen over het materiaal
Dit kan men te weten komen via een
 Interview
 Vragenlijst
Observatie in de klas
Men kan meer gedetailleerde informatie over het SUPERCOMET2 materiaal verzamelen door een
serie van observaties te doen tijdens het gebruik in de klas. Men kan dat doen door volgende drie
instrumenten te gebruiken:
 Achtergrond gegevens van de klas (moet slechts één keer ingevuld worden wanneer één
klas meerdere keren geobserveerd wordt)
 Observaties van één specifieke les
 Een eindrapport en reflectie van een serie lessen door de zelfde leerkracht uitgevoerd.
Het is belangrijk op te merken sommige materialen oorspronkelijk wel waren getest en geëvalueerd, maar niet in de
huidge vorm.
6
Dit, samen met sommige ander instrumenten gebruikt door de partners uit Murcia, werd afgeleid uit een proefschrift
‘Teaching Hypermedia Assessment’ van Lucía Amorós Poveda, Universiteit van Murcia (2004).
5
Beoordelingen door experts: twee voorbeelden
In dit onderdeel wordt in grote lijnen de evaluatie van twee groepen experts uit Udine en Murcia
gegeven als mogelijke gids bij een volledige beoordeling.
UDINE
A. Bij het begin van de studie stelde de leerkracht een kort rapport op over de achtergrond van de
klas.
B. Daarna evalueerde de leerkracht de beginsituatie van de individuele leerlingen ( enkel
geïdentificeerd door een code), op het vlak van (1) vaardigheden, (2) interesse7, (3) betrokkenheid,
(4) attitude8 en (5) prestatie. De meewerkende leerkrachten gaven elke leerlingen een score tussen
1 en 5, waarbij ze volgende criteria hanteerden:
1. duidelijk boven het gemiddelde
2. juist boven het gemiddelde
3. gemiddeld
4. juist onder het gemiddelde
5. duidelijk onder het gemiddelde
C. Zo snel mogelijk na het einde van elke sessie maakte de leerkracht een kort verslag/beschrijving
van de sessie.
D. Tot slot maakte de leerkracht naar eigen inzicht een bondig eindrapport, waarbij de dagelijkse
rapporten als basis dienden.
E. De leerkracht maakte ook een eindbeoordeling van elke leerling apart waarbij dezelfde codes als bij
B. gebruikt waren. De scores weerspiegelen wat er tijdens de studie gebeurd is.
F. Op het einde van de studie werden sommige leerlingen ook ondervraagd (tenminste drie met een
lage score en drie met een gemiddelde of hoge score) en, indien mogelijk, werd een gezamenlijke
discussie, onder leiding van de leerkracht georganiseerd. Bij de ondervraging mochten de leerlingen
materiaal dat tijdens de sessies verzameld werd gebruiken. Zij werden ook gevraagd alles te herhalen
voor de ondervraging.
MURCIA
Tijdens deze studie die vijf lesuren in beslag nam, werd de module ‘Geleidbaarheid” gebruikt. Terwijl
de leerlingen het SUPERCOMET2 materiaal gebruikten moesten ze een logboek bijhouden. Er werd
maximaal gestreefd naar begeleid zelfstandig leren, zodat leerlingen op eigen initiatief waarnemingen
konden doen op basis van gemanipuleerde animaties, de tekst konden lezen en oefeningen oplossen.
Af en toe gaf de leraar bijkomende informatie of beantwoordde vragen van leerlingen naar
achterliggende concepten.
Er werden verschillende evaluatiemethoden gebruikt, ontworpen door Lucía Amorós Poveda, van de
Universiteit van Murcia (2004) in haar proefschrift “Teaching Hypermedia Assessment”. Gevalideerde
vragenlijsten werden gebruikt. Er warden gegevens verzameld volgens het volgende tijdschema:
7
8
Verwijst naar natuurkunde
Verwijst naar actieve deelname bij de activiteiten in de klas
Mei – 2006
INSTRUMENTEN
16de
14:20 – 15:15
17de
14:20 – 15:15
ICT attitudes en kennis
vragenlijst
Test voorkennis
”Elektrische geleiding”
MULTIMEDIA
WERK
18de
9.00 – 10.00
19de
11:20 – 12:15
19de
12:30 – 13:25
23ste
14:20 – 15:15
24ste
14:20 – 15:15
25ste
9.00 – 10.00
26ste
11:20 – 12:15
Observatie
Observatie
LEERLINGEN
WERKEN MET
MULTIMEDIA
MATERIAAL
Test ”Elektrische
geleiding”
SUPERCOMET2
vragenlijst
Leerlingen in het BRG Kepler Graz werken met de SUPERCOMET2 applicatie
De mening van de leerkrachten over het
materiaal
Doelgroep/online discussie (Leerkrachten)
Leerkrachten
code:
Fysica:
 Hoe belangrijk is het om hedendaagse onderwerpen uit de fysica te gebruiken?
 Is supergeleiding een onderwerp dat in het leerplan fysica opgenomen zou moeten worden?
 Zijn dergelijke actuele onderwerpen uit de fysica motiverend voor de leerlingen? Maakt het het
leren van fysica gemakkelijker of moeilijker?
SUPERCOMET2 materiaal
 Hoe bruikbaar voor de lessen fysica is het SUPERCOMET2 materiaal?
 Zijn de modules goed ingedeeld? Zijn de modules evenwichtig opgebouwd?
 Is het mogelijk een onderwerp dat buiten het leerplan staat, zoals supergeleiding, met materiaal
zoals dat van SUPERCOMET2 te bespreken zonder de afwerking van het leerplan in gevaar te
brengen?
Leerkrachten
code:
Vragenlijst (Leerkrachten)
1. In welke mate zijn de
volgende materialen
nuttig voor uw lessen?
Helemaal
niet
bruikbaar
Een beetje
bruikbaar
Bruikbaar
Erg
bruikbaar
Ik,
weet
het
niet
Informatie over het
onderwerp
(Supergeleiding)
Experimenten
Leerlijn
Commentaar:
2. Hoe aantrekkelijk en
interessant zijn volgens
u deze materialen voor
uw leerlingen?
Informatie over het
onderwerp
(Supergeleiding)
Experimenten
Leerlijn
Commentaar:
3.
Helemaal
Een beetje
Aantrekkelijk Erg
Ik,
niet
aantrekkelijk
aantrekkelijk weet
aantrekkelijk
het
niet
Hoe kan het materiaal verbeterd worden?
4. Hoe zou jij het materiaal in de klas gebruiken? (als voorbereiding of herhaling, als huiswerk, in
demonstratie, voor individueel leren, als bijkomende bron van informatie enz. )
5. Problemen:
 Heb je nog fouten in de software ontdekt? (Geef alstublieft een lijstje van fouten door)
 Heb je nog inhoudelijke fouten tegen de natuurkunde zelf ontdekt? (Ook een lijst als het kan!)
 Heb je belangrijke moeilijkheden ondervonden bij het gebruik van het materiaal?
De mening van leerlingen over het materiaal
Interview (leerlingen)
Identificatie leerling:
(Interviewer: naam, geslacht en leeftijd:……….)
1. Wat heb je geleerd over supergeleiding op basis van het SUPERCOMET2 materiaal?
De antwoorden kunnen ingedeeld worden op basis van:
 concepten
 wetten en formules
 verschillende voorstellingswijzen
 experimenteervaardigheden
 vaardigheden bij het gebruik van software
2. Welke delen van de cursus vond je het best? Waarom?
3. Welke delen van de cursus vond je het minst? Waarom?
4. Wat heb je bijgeleerd door:
 discussies
 werken in het lab
 werken op de computer
 thuis te studeren
5. We lopen het geleverde werk door: de leerkracht kiest een onderdeel waar leerlingen mee gewerkt
hebben en controleert wat en hoeveel geleerd werd via specifieke vragen:
Vragenlijst(leerlingen)
Identificatie leerling:
Om het materiaal dat in SUPERCOMET2 ontwikkeld werd, te kunnen verbeteren vragen we je de
volgende vragen te beantwoorden:
1
2
M/V:
Leeftijd: …………jaar
Erg
oneens
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ik vind fysica/natuurkunde interessant
Ik vind het onderwerp supergeleiding interessant
Het SUPERCOMET2 materiaal is interessant
Het SUPERCOMET2 materiaal stimuleert mijn
verbeelding/fantasie
Het SUPERCOMET2 materiaal is gemakkelijk te
gebruiken
Het SUPERCOMET2 materiaal is aantrekkelijk
Het SUPERCOMET2 materiaal helpt me bij het leren
Het SUPERCOMET2 materiaal biedt zinvolle
nieuwe ervaringen
De hoeveelheid tekst in het SUPERCOMET2
materiaal is goed/evenwichtig
De teksten in het SUPERCOMET2 materiaal zijn
Oneens
Enigszins
eens
Sterk
mee eens
Weet
het
niet
goed leesbaar gemakkelijk te begrijpen
13
Het aantal beelden in het SUPERCOMET2 materiaal
is goed/evenwichtig
14
De beelden in het SUPERCOMET2 materiaal zijn
duidelijk en begrijpelijk
15
De beelden in het SUPERCOMET2 materiaal leggen
het onderwerp goed uit
16
Het ontwerp van de pagina’s in het
SUPERCOMET2 materiaal is goed
17
De bewegingen in de animaties in het
SUPERCOMET2 materiaal en de paginaovergangen
zijn goed
18
De animaties in het SUPERCOMET2 materiaal heeft
me het onderwerp helpen begrijpen
Ik heb verrassende dingen gezien in het
SUPERCOMET2 materiaal
Het SUPERCOMET2 materiaal veroorzaakte
discussies in de klas
Door het SUPERCOMET2 materiaal veranderde
mijn houding tegenover sommige dingen
De experimenten in deze cursus over supergeleiding
waren interessant
Welke onderdelen van de cursus supergeleiding op basis van het SUPERCOMET2 materiaal vond je bijzonder
leuk en gemakkelijk?
19
20
21
22
23
24
Denk je dat je meer geleerd hebt door het gebruik van SUPERCOMET2 materiaal?
Geef enkele argumenten voor je mening.
25
Geef twee redenen waarom het SUPERCOMET2 materiaal in jouw ogen goed was.
A
B
26
Geef twee redenen waarom het SUPERCOMET2 materiaal in jouw ogen NIET goed was.
A
B
27
Zou je het SUPERCOMET2 materiaal aanbevelen bij andere leerlingen? Waarom?
28
Wat zou moeten veranderd worden aan het SUPERCOMET2 materiaal?
29
Het je een voorkennis over computergebruik nodig om met het SUPERCOMET2 materiaal te kunnen werken?
Geef enkele argumenten voor je mening
Het je een wetenschappelijk voorkennis nodig om met het SUPERCOMET2 materiaal te kunnen werken?
In welke wetenschappelijke domeinen?
Geef enkele argumenten voor je mening.
30
Schrijf hier bijkomende commentaar over het SUPERCOMET materiaal:
Dank je voor je antwoorden!
Observatie in de klas
Achtergrond gegevens over de klas
Algemeen
Identificatie:
School:
Graad/niveau:
Aantal leerlingen:
Geschiedenis
Doet de klas mee aan andere projecten?
Heeft de klas vroeger meegedaan aan nadere projecten?
Welk leerplan wordt gebruikt?
Welke domeinen uit de natuurkunde werden al behandeld voor dit materiaal gebruikt werd?
Leraar
Welk diploma/bevoegdheidsbewijzen haalde de leerkracht?
Hoeveel ervaring heeft de leerkracht in het gebruik van ICT?
Leerlingen
Welk gemiddeld niveau haalt de klas?
Hoe groot is hun betrokkenheid bij hun studies/ hoe gemotiveerd zijn ze ervoor?
Hoe zou je hun resultaten kunnen beschrijven?
Hoeveel ervaring hebben de leerlingen met ICT?
In welke mate zijn ze geïnteresseerd in natuurkunde?
Lesgeven
Gebruik van het labo
Frequentie (aantal uur in het lab: percentage
Procedure:
In kleine groepen
Demonstraties door de leerkracht
%
%
%
Welk labmateriaal werd er gebruikt?:
Lesmethode
Frontaal lesgeven
Discussie (vrij of georganiseerd)
Leerlingenproeven
Gezamenlijke oplossing van problemen
Werken in kleine groepen
Werken met de computer
Mondelinge testen
Testen
Andere evaluatiemethoden (specificeer)
%
%
%
%
%
%
%
%
%
Gebruik van computer in de klas
Frequentie (aantal uur in het lab: percentage
%
Procedure:
In kleine groepen
Demonstraties door de leerkracht
%
Software:
Simulaties (specificeer)
Programmeren:
Rekenblad
Digitale data verzamelen
Gebruik van hypertext/multimedia (specificeer)
Ontwikkeling van hypertext/multimedia
Andere (specificeer)
%
%
%
%
%
%
%
%
Observatie in de klas
Algemeen
Identificatie leerling:
Identificatie leraar:
School:
Aantal leerlingen:
Tijdsduur:
Toegang tot computers (aantal):
Datum:
Doelstellingen van de les (onderwerp)
Beschrijf kort de doelstellingen van de les(sen), de onderwerpen en de leerdoelen
Procedure
Beschrijf kort het werk dat tijdens de les(sen) uitgevoerd werd en de tijdsduur ervan (als het
meer dan 10 minuten duurde)
Geef aan of een presentatie, discussie, leerlingenproef, modules van SUPERCOMET2 en
eventueel nog ander materiaal (handboek, multimedia) gebruikt werden door de leerlingen.
Hier staan drie schema’s die kunnen helpen bij het vastleggen van de activiteiten in de klas:
Computer gebruik
Observatie
Leerlingen
Over de
vragen iets aan computer
de leraar
Over multimedia
Andere
Leerlingen
Over de
vragen iets aan computer
elkaar
Over multimedia
Andere
Mate van gebruik
+++ ++
+
-
--
---
Zij stellen geen vragen
Problemen oplossen
Observatie
Mate van gebruik
+++ ++ +
--
---
Ze schrijven (papier, pen,...).
Ze gebruiken de hulp en de
ondersteuningsmaterialen.
Ze noteren.
Sfeer in de klas
Kalm
Gespannen
Individueel
Groep
Lawaaierig
Stil
Aangenaam
Onaangenaam
Goed
Slecht
Vervelend
Plezierig
Problemen
Beschrijf de problemen die zich eventueel voorgedaan hebben en hoe ze opgelost werden
Algemene Observatie/Evaluatie
Waren de gebruikte materialen motiverend en konden ze de leerlingen blijven boeien? Welke
onderdelen vonden ze het leukst?
Begrepen de leerlingen de inhoud van het materiaal? Geef aan welke onderdelen eventueel
speciaal moeilijk waren en waar bijkomende uitleg over gevraagd werd.
Hoe reageerden de leerlingen op de animaties?
In welke mate was je tevreden over de les? Leg uit.
Schrijf hier enkele mogelijk bijkomende commentaren:
Observatie in de klas – Eindrapport van de leerkracht
Identificatie klas:
Identificatie leraar:
Na afloop van de studie zou de leerkracht een eindrapport moeten schrijven. Dit kan op elke mogelijke
manier, maar het antwoord op de volgende vragen zou er wel in moeten zitten:
Een evaluatie van de gebruikte materialen:
Waren ze gebruiksvriendelijk?
Begrepen de leerlingen de inhoud effectief?
Werd de voorziene tijd gerespecteerd, was het goed ingeschat?
Was de conceptuele benadering op het niveau van de leerlingen?
Waren er problemen bij het gebruik van de modules?
Geef een samenvattende en eventueel subjectieve beschrijving, onafhankelijk van de resultaten van
eventuele testen, over het nut van het gebruikte materiaal, zowel naar inhoud (wetenschappelijk) als
naar attitudevorming, motivatie bij de leerlingen.
Beschrijf de problemen die zich eventueel voorgedaan hebben en hoe ze opgelost werden
Werden andere onderwerpen uit de natuurkunde betrokken bij de lessen?
Hoe gedroegen leerlingen zich tijdens de studie: waren ze geïnteresseerd, kritisch, werkten ze goed
samen, waren er duidelijke aanwijzingen van leerlingen die zich anders gedroegen dan normaal (zowel
positief als negatief) bij het gebruik van dit soort lesmateriaal?
Elke bijkomende opmerking over het materiaal (specifiek of algemeen), die een verbetering of
verandering beoogt, is altijd welkom.
Geef tot slot je mening of het geld voor het project goed en nuttig gebruikt werd, dan wel of het beter
besteed had kunnen worden op een meer traditionele manier.
Andere bronnen
Boeken over supergeleiding (Engels)
Annett, F. J. (2004)
Superconductivity, superfluids and condensates, Oxford, OUP
Buckel, W. and R. Kleiner (2003).
Superconductivity: fundamentals and applications. Weinheim, Wiley.
Evetts, J., Ed. (1992).
Concise Encyclopedia of Magnetic & Superconducting Materials. Advances in materials
science and engineering.
Oxford, Pergamon.
Fossheim, K. and A. Sudbo (2004).
Superconductivity: Physics and Applications.
John Wiley & Sons.
Rose-Innes, A. C. and E. H. Rhoderick (1978).
Introduction to Superconductivity.
Oxford, Pergamon.
Tinkham, M. (1996).
Introduction to Superconductivity.
New York; London, Mc Graw Hill.
Vidali, G. (1993).
Superconductivity: the next revolution?
Cambridge, Cambridge University Press.
Boeken over supergeleiding (Nederlands)
……..
Bronnen over supergeleiding op het Internet (Engels)
http://superconductors.org – Superconductors.org is een onafhankelijke, non-profit website die
tot doel heeft beginners en niet-technische mensen in te leiden in de wereld van de supergeleiders.
http://superconductors.org/Links.htm –Geeft heel veel links naar websites over supergeleiding.
http://www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html
leerkrachten VO gemaakt door Oak Ridge National Laboratory
– Een handleiding voor
http://www.physicscentral.com/action/2001/supcon.html – Een korte inleiding door “Physics
Central”
http://physicsweb.org/bestof/superconductivity – Het beste
van “Physics Web” gemaakt door het “Institute of Physics”.
http://hypertextbook.com/physics/modern/superconductivity/ – een korte inleiding over
supergeleiding
Bronnen over supergeleiding op het Internet
(Nederlands)
…
Online lesmateriaal over supergeleiding
http://www.psigate.ac.uk/ – Poort naar allerlei informatie over natuurkunde
http://www.practicalphysics.org – website voor leerkrachten om experimenten uit te wisselen.
http://www.teachingphysics.iop.org – lesmateriaal ter beschikking gesteld door het “Institute of
Physics”, waaronder materiaal over supergeleiding.
Demonstratie kit en materiaal over supergeleiding
http://www.superconductors.org/Play.htm bevat een lijst met internationale leveranciers van
demonstratie kits, meestal in de VS.
Referenties over het gebruik van ICT in de lessen natuurwetenschappen
Barton, R., Ed. (2004). Teaching Secondary Science with ICT. Learning & Teaching with
Information & Communications Technology. Maidenhead and New York, Open University Press.
Fullick, P. (2004) : Knowledge building among school students working in a networked computer
supported learning environment. Southhampton 2004. http://www.soton.ac.uk/~plf/rsch1.htm
Osborne, J. and S. Hennessy (2003). Literature Review in Science Education and the Role of ICT:
Promise, Problems and Future Directions, NESTA Futurelab.
http://www.futurelab.org.uk/resources/documents/lit_reviews/Secondary_Science_Review.pdf
http://schools.becta.org.uk/ Becta’s one-stop shop aimed at school practitioners offe-ring a wide
range of information, advice and guidance on using ICT.
http://www.leggott.ac.uk/pdfs/awards/ICTinsupport.pdf gives a good summary of using ICT to
support science teaching
Kijk ook naar:
Newton, L. R. and Rogers, L. (2001) Teaching Science with ICT, London, Continuum
Wellington, J and Ireson, G (2007) (chapter 7) Science Learning, Science Teaching, London,
Routledge
Andere referenties die in de lerarenhandleiding
gebruikt werden
Institute of Physics (2004), The post-16 Initiative. Radical, forward looking initiative by the
Institute of Physics, shaping and developing physics for all involved post-16.
Wellington, J. (2004). Multimedia in science teaching. Teaching Secondary
Science with ICT. R. Barton. Maidenhead; New York, Open University Press.
European Commission, Directorate-General for Research, Information and Communication Unit
(2007) : The Rocard Report on Science Education.
http://ec.europa.eu/research
/sciencesociety/document_library/p
df_06/report-rocard-onscience-education_en.pdf