QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit

SCIENCELAB 5VWO
QTC
fysisch onderzoek van
Quantum Tunnelling Composite
versie pilot 2010
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
2
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
PROGRAMMA
onderdeel
1
2
3
4
5
6
7
8
OCHTEND
MIDDAG
09.00 u – PRESENTATIE:
INTRO
09.05 u – ONDERZOEK
 kwalitatief onderzoek van
QTC
 een klassiek model van QTC
09.45 u – PRESENTATIE:
QUANTUMMECHANISCH
MODEL VAN QTC
10.15 u – ONDERZOEK MET DE
COMPUTER
 kwantitatief onderzoek van
QTC
 eigen onderzoeksopdracht
10.45 u – pauze
11.00 u – TECHNISCH ONTWERP
11.30 u – PRESENTATIE
 ONDERZOEKSRESULTATEN
 TECHNISCH ONTWERP
12.00 u - EINDE
13.00 u – PRESENTATIE:
INTRO
13.05 u – ONDERZOEK
 kwalitatief onderzoek van
QTC
 een klassiek model van QTC
13.45 u – PRESENTATIE:
QUANTUMMECHANISCH
MODEL VAN QTC
14.15 u – ONDERZOEK MET DE
COMPUTER
 kwantitatief onderzoek van
QTC
 eigen onderzoeksopdracht
14.45 u – pauze
15.00 u – TECHNISCH ONTWERP
15.30 u – PRESENTATIE
 ONDERZOEKSRESULTATEN
 TECHNISCH ONTWERP
16.00 u - EINDE
David Lussey, de ontdekker van QTC
3
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
ONDERDEEL 1
PRESENTATIE: INTRO
ONDERDEEL 2
ONDERZOEK VAN QTC
KWALITATIEF ONDERZOEK
Nieuwe materialen
Door de eeuwen heen heeft de mens steeds nieuwe materialen gemaakt. Het bijzondere is dat
bijna alle nieuwe materialen per ongeluk gemaakt of ontdekt zijn. Buskruit, glas, penicilline,
halfgeleidermateriaal, … Bij het ontdekken of ontwikkelen van al deze stoffen heeft het toeval een
grote rol gespeeld.
Halverwege de jaren ‘90 van de vorige eeuw probeerde de Engelsman David Lussey lijm te maken
met als bijzondere eigenschap dat die lijm ook stroom zou kunnen geleiden. Het lukte hem niet
zo’n soort lijm te maken en de producten kwamen in de prullenbak terecht. Eén van zijn
medewerkers onderzocht Lussey’s producten en deed verrassende ontdekkingen. Het spul met die
bijzondere eigenschappen wordt QTC genoemd (Quantum Tunnelling Composite).
Vandaag gaan jullie onderzoek doen aan QTC, een modern materiaal met verrassende
eigenschappen. Je maakt daarbij ook kennis met de quantummechanica.
Kennismaking met QTC
Je gaat nu kennis maken met QTC-materiaal. Als het goed is, vind je op de practicumtafel een
doos met heel veel spullen (helemaal aan het begin van deze handleiding is een plattegrond van
de leskist weergegeven). In één van de vakjes vind je een plastic zakje met een paar vierkante
zwarte snippertjes. Dat zwarte materiaal is QTC! Zo’n klein snippertje QTC wordt in het Engels een
‘QTC-pill’ genoemd.
QTC-pills (3,6 x 3,6 mm)
Zo’n QTC-snipper is niet zo handig om mee te werken. In de leskist zit
in het vakje links vooraan een stukje QTC in een messing ring verpakt.
Deze messing houder (met QTC) gebruik je bij de eerste opdracht.
4
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Voordat je begint….
Je gaat een paar schakelingen maken. In de doos (leskist) en op de practicumtafel zie je allerlei
spullen waarmee je dat doet. Je hebt overigens lang niet alle spullen uit de leskist nodig!
Verder heb je de beschikking over snoeren (in de zaal hangen er nog veel meer), krokodilleklemmen e.d.
Aan het eind van het sciencelab zorg je er natuurlijk voor dat alle gebruikte spullen weer
netjes in de leskist liggen…!

Bij deze handleiding hoort een speciaal antwoordblad waarop je alles kunt invullen. Dat doe
je steeds als je het symbool van de pen tegen komt.
Opdracht 1 – Kennismaking met QTC
Maak de schakeling die je hieronder weergegeven ziet. Gebruik het speciale draadje uit de leskist
(vakje linksboven) om contact te maken met het QTC. Als stroombron gebruik je de batterij uit de
leskist.
Tussen de punten A en B sluit je een klein gloeilampje (uit de leskist) aan.
Kijk wat er gebeurt, als je met het dunne koperen pootje zachtjes contact maakt met het QTC.
Onderzoek wat er gebeurt, als je met dat koperen pootje steeds ietsje harder op het QTC drukt.
Het dunne pootje mag uiteraard geen contact maken met het koperen rondje waar het QTC in zit!
5
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam

Noteer op het antwoordblad bij opdracht 1 een conclusie over deze eigenschap van QTC. Gebruik
bij het verwoorden van deze eigenschap de term ‘soortelijke weerstand’).
De schakeling die je net gemaakt hebt, kun je in een schakelschema
weergeven zoals je hiernaast ziet. Een stukje QTC kan immers als
variabele weerstand gebruikt worden.
Opdracht 2 – Schakeling met motortje
Maak nu de schakeling waarvan je hiernaast het schakelschema ziet. Het
rondje met de letter M is een klein elektromotortje (zie foto) dat je in de
leskist kunt vinden.
Elektromotortje (de aansluitingen zijn de
metalen lipjes aan de achterkant.

Vraag: doet deze schakeling wat je op grond van de eigenschap van QTC zou verwachten?
Noteer je antwoord bij opdracht 2 op het antwoordblad.
6
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 3 – Bijzondere schakeling (1)
Hiernaast zie je het schema van een schakeling waarin een lampje
niet in serie maar parallel geschakeld is. Je hoeft deze schakeling niet
te maken.
Deze schakeling heeft de eigenschap dat naarmate er harder op het
QTC gedrukt wordt, het lampje minder fel brandt.

Vraag: leg uit hoe dat komt.
Noteer je antwoord bij opdracht 3 op het antwoordblad.
Geef ook de stroomrichting in beide situaties aan.
Opdracht 4 – Bijzondere schakeling (2)
Deze schakeling hoef je niet te maken, want dat zou te
veel tijd kosten.

Vraag: wat doet deze schakeling?
Noteer je antwoord bij opdracht 4 op het antwoordblad.
Geef ook de stroomrichting in beide situaties aan.
7
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
EEN ‘KLASSIEK’ MODEL VAN QTC
Een model voor stroomgeleiders
In de wetenschap willen we altijd proberen te begrijpen waarom iets is zoals het is of hoe iets
werkt. De afwisseling van dag en nacht, de afwisseling van de seizoenen, stroomgeleiding in een
metaal, de werking van ons oog, … Voor veel natuurverschijnselen maken wetenschappers
modellen. Een model is een vereenvoudigde voorstelling van de werkelijkheid, waarmee we de
natuur beter proberen te begrijpen. Met een model kunnen we ook heel vaak bepaalde
verschijnselen voorspellen.
Het model van stroomgeleiding in een metaal ken je vast wel…
model van een metaal
Hierboven zie je metaalatomen dicht op elkaar gestapeld. Als er een elektrische stroom door het
metaal gaat, stellen we ons voor dat elektronen van het ene atoom op het andere kunnen
overwippen. Met een heleboel tegelijk bewegen ze dan (voortgestuwd door bijvoorbeeld een
batterij) bijvoorbeeld van links naar rechts door zo’n metaalrooster (van de ene pool van een
batterij naar de andere). Met een rode lijn is aangegeven hoe een elektron door het metaal
beweegt. In dit model gaat er dus een elektrische stroom in horizontale richting door het metaal.
Een model voor isolatoren (niet-geleiders)
Plastic bestaat uit langwerpige moleculen. Hieronder zie je een model van
een stukje plastic: de grijze slangetjes stellen de plasticmoleculen voor. Zoals je
weet kunnen plastics geen stroom geleiden, dus het overspringen van elektronen (tussen de
moleculen) komt bij plastic blijkbaar niet voor.
model van plastic
8
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 5 – Een model van QTC
QTC bestaat voor een deel uit moleculen (plastic), maar voor een belangrijk deel ook uit atomen
van het metaal nikkel. Die nikkelatomen zijn door het plastic heen gemengd.
Teken op het antwoordblad een model voor QTC dat de volgende eigenschappen heeft:
 Er zitten langwerpige moleculen plastic in (die zijn al getekend).
 Er zitten nikkelatomen in (voorgesteld door bolletjes),
 Het model moet verklaren dat QTC gaat geleiden, als het (in de tekening in het midden)
samengeperst wordt.
NB. In dit model gaat er een elektrische stroom in verticale richting door het QTC.
ONDERDEEL 3
PRESENTATIE:
QUANTUMMECHANICA
9
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
ONDERDEEL 4
ONDERZOEK MET DE
COMPUTER
KWANTITATIEF ONDERZOEK
Tot nog toe heb je QTC kwalitatief onderzocht. Hoog tijd om het onderzoek kwantitatief aan te
pakken, zodat je ook kunt zien dat quantummechanische verschijnselen ook meetbaar zijn.
Spanningskast
Je hebt de beschikking over een spanningskast, die er uit kan zien, zoals je hieronder ziet.
spanningskasten
Je gebruikt bij je onderzoek uitsluitend de gelijkspanning.
Sensoren
Verder heb je de beschikking over twee losse sensoren waarvan je
hiernaast fotootjes ziet. Met de ‘differential voltage’ sensor meet je
een spanning, met de ‘current’ sensor meet je een stroomsterkte.
De sensoren worden op dezelfde manier geschakeld als een
gewone voltmeter, resp. een gewone ampèremeter. Het enige
verschil is dat de door de sensoren gemeten waarden zichtbaar
gemaakt moeten worden met een computer.
10
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
ULAB Interface
De sensoren worden niet rechtstreeks op een computer
aangesloten. Er moet een zogenaamde interface tussen, in dit
geval de ‘ULAB’ (zie foto).
Aan de voorkant van de ULAB kunnen maximaal vier sensoren
aangesloten worden. De computer (PC of laptop) en de software
zijn zo ingesteld, dat de spanningssensor in ingang 1 moet en de
stroomsensor in ingang 2. Ingang 3 blijft leeg. Verderop in deze
handleiding zul je zien dat op ingang 4 ook nog een krachtsensor
aangesloten wordt.
De computer (PC of laptop)
Als het goed is, is de computer al opgewarmd en is op het
scherm zichtbaar wat je hieronder weergegeven ziet.
Het scherm is in vier kaders verdeeld. In het kader linksboven staan wat aanwijzingen, linksonder
zie je dat de ULAB die al ingesteld is voor de sensoren die je vandaag gebruikt.
11
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
De meetopstelling met de krachtsensor
Om goed onderzoek te doen aan QTC is een heel stabiele
meetopstelling nodig. Hiernaast zie je er een foto van.
In het witte kastje zit de krachtsensor. Als er van boven af op
de krachtsensor gedrukt wordt, meet de sensor (die op ingang
4 van de ULAB aangesloten moet worden) met welke kracht
dat gebeurt.
Als je goed kijkt zie je op het ronde plateautje een stukje QTC
(een QTC-pill van 3,6 x 3,6 mm) liggen.
Het stukje QTC kan van bovenaf min of meer platgedrukt worden
met behulp van een ‘schroefmicrometer’. Door voorzichtig de
schroefmicrometer rechtsom te draaien wordt een steeds grotere
kracht (van boven naar beneden) op het QTC uitgeoefend. De
getallen op de schroefmicrometer hebben voor het QTC-onderzoek
geen betekenis (met schroefmicrometers meet je heel kleine diktes,
ze zijn eigenlijk niet gemaakt om QTC mee samen te persen).
Stel zelf het schuifblok met de schroefmicrometer op de juiste
hoogte in.
De aansluitingen
Om een stroom door het QTC te kunnen sturen moet je met behulp van een krokodilleklemmetje
contact maken met het schroefdraad onder het plateautje. Voor de andere aansluiting gebruik je
het gaatje dat zich boven op het schuifblokje van de micrometer bevindt. De stroom gaat dan in
verticale richting door het QTC, als er een kracht op wordt uitgeoefend.
12
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 6 – De meetopstelling

Teken op het antwoordblad het elektrische schakelschema van de schakeling waarin je de
spanning over en de stroomsterkte door het QTC kunt meten. Teken de spannings- en
stroomsensoren als gewone spannings- en stroommeters.
Zet nu de meetopstelling zo in elkaar dat je met de laptop deze drie grootheden kunt meten:
 de spanning over het QTC (spanningssensor op ingang 1 van de ULAB),
 de stroomsterkte door het QTC (stroomsterktesensor op ingang 2) en
 de kracht op het QTC uitgeoefend (krachtsensor op ingang 4).
NB. De kracht wordt door de sensor als negatief weergegeven, als de sensor
ingedrukt wordt. De krachtsensor geeft een positieve waarde aan de kracht, als het
plateautje omhooggetrokken zou worden (dat is hier niet het geval).
Als je de schakeling goed in elkaar gezet hebt, moet je kunnen zien dat in de twee meetvensters
op het scherm de spanning, de stroomsterkte en de kracht af te lezen zijn. Dat controleer je door
de spanning of de kracht een beetje te variëren.
Lukt het je niet een werkende meetopstelling in elkaar te zetten, roep dan de hulp in van een van
de begeleiders.
Opdracht 7 – Het verband tussen de kracht en de stroomsterkte
Als eerste onderzoek je het verband tussen de kracht die op het QTC uitgeoefend wordt en de
stroomsterkte door het QTC. Doe dat bij een spanning van bijvoorbeeld 4,0 V.
NB. De kracht mag absoluut niet groter worden dan 50 N!
De stroomsterktesensor heeft een bereik van 500 mA.

Schets op het antwoordblad het resultaat.
Als het goed is, heb je een bijzonder effect ontdekt: bij het vergroten van de kracht blijkt het
verband tussen de kracht en de stroomsterkte anders te zijn dan wanneer de kracht kleiner wordt.
Als zo’n verband tussen twee grootheden bestaat (het verband hangt af van de richting waarin één
van de grootheden verandert), noemt men dat ‘hysterese’ of een ‘ hysterese effect’.

Geef in de schets op het antwoordblad met twee pijlen aan in welke richting de hysterese verlopen
is.
13
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
De grafiek op het scherm met de metingen van opdracht 7 kun je bewaren voor het verslag. Er zijn
diverse mogelijkheden:
 Je drukt het grafiekje rechtstreeks op de printer af (klik met de rechter muisknop op het
grafiekje en kies ‘venster afdrukken’). De printer staat op de gang: printer U1A is de
onderste van de twee printers.
 Je kopieert het grafiekje (via de rechter muisknop) naar het klembord, je start bijvoorbeeld
het tekenprogramma ‘Paint’ en bekijkt het grafiekje met dit programma. Je kunt dan,
voordat je afdrukt, je naam en eventueel gegevens (zoals de richting van de hysterese) in
het grafiekje aanbrengen.
 Je kopieert het grafiekje bijvoorbeeld naar het bureaublad (bewerkt het eventueel met
‘Paint’) en e-mailt het naar je eigen e-mail adres of je slaat het op op een USB-stick.
Opdracht 8 – Eigen onderzoek (onderzoeksvraag)
Je wordt nu uitgedaagd zelf een onderzoeksvraag op te stellen die betrekking heeft op de fysische
eigenschappen van QTC.

Formuleer je onderzoeksvraag op het antwoordblad.
Opdracht 9 – Eigen onderzoek (uitvoering)
Je gaat aan de slag om te proberen (een) antwoord(en) te vinden op je onderzoeksvraag.
Uiteraard kun je grafieken weer eventueel bewerken en daarna afdrukken, op je USB-stick opslaan
of e-mailen.

Gebruik het antwoordblad voor aantekeningen/schetsen/schema’s/metingen/enz.
Formuleer daar ook je conclusie(s):
14
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
ONDERDEEL 4
TECHNISCH ONTWERP
Je hebt eigenschappen van QTC onderzocht en je hebt een paar schakelingen met QTC gemaakt
waarin je kon zien hoe QTC nuttig gebruikt kan worden. Een apparaat waarin een schakeling zit
die aan bepaalde eisen voldoet, noemen we een ‘technisch ontwerp’. Een thermostaat of een
dimmer voor een lamp kun je een technisch ontwerp noemen.
Opdracht 10 – Technisch ontwerp
Bedenk een (liefst origineel) technisch ontwerp met een stukje QTC. Let er op dat de bijzondere
eigenschappen van QTC in het apparaat toegepast worden.

Maak op het antwoordblad een schets van je technisch ontwerp en geef er een korte beschrijving
bij. Zorg er ook voor dat het elektrische schakelschema in je schets zichtbaar is.
ONDERDEEL 5
PRESENTATIE
ONDERZOEKSRESULTATEN
Je geeft een korte presentatie van je onderzoeksresultaten. Uiteraard formuleer je eerst je
onderzoeksvraag en daarna bespreek je het resultaat van je experimentele onderzoek.
TECHNISCH ONTWERP
Je geeft een korte presentatie van een idee voor een technisch ontwerp met QTC.
EINDE
15
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
16
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
SCIENCELAB 5VWO
ANTWOORDBLAD
QTC
fysisch onderzoek van
Quantum Tunnelling Composite
versie pilot 2010
17
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 1
Een eigenschap van QTC:
Opdracht 2
Ja/nee, want….
Opdracht 3
Werking schakeling:
QTC niet ingedrukt
18
QTC ingedrukt
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 4
Werking van de schakeling:
Opdracht 5
model van QTC
Toelichting:
19
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 6
Schakelschema:
Opdracht 7
20
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 8
Onderzoeksvraag:
Opdracht 9
21
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO – Vrije Universiteit, Amsterdam
Opdracht 10
22