sciencelab 5vwo

SCIENCELAB 5VWO
QTC
fysisch onderzoek van
Quantum Tunnelling Composite
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
2
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
PROGRAMMA
onderdeel
WELKOM
korte introductie
1
2
3
ONDERZOEK
 kwalitatief onderzoek van QTC
 een klassiek model van QTC
PRESENTATIE
Kwantummechanisch model van QTC
ONDERZOEK MET DE COMPUTER
 kwantitatief onderzoek van QTC
 eigen onderzoeksopdracht
pauze
4
5
EIGEN ONDERZOEKSVRAAG of
TECHNISCH ONTWERP
Bedenken / uitvoeren
PRESENTATIE of VERSLAG
 resultaten of technisch ontwerp uitwerken op een groot vel papier
 presenteren of verslag
David Lussey, de ontdekker van QTC
3
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
ONDERDEEL 1
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 kort kennis met quantummechanica.
Kennismaking met QTC
Je gaat nu kennis maken met QTC-materiaal. Als het goed is vind je op de practicumtafel een doos
met veel spullen (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 losse QTC-snipper is niet zo handig om mee te werken. In de
leskist zit in het vakje links vooraan daarom ook een messing houder
met daarin een stukje QTC gemonteerd.
Deze messing houder (met QTC) gebruik je bij de eerste opdrachten.
4
februari 2016
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 meer), krokodillenklemmen 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 antwoordblad waarop je alles kunt invullen.
Dat doe je steeds als je het symbool van de pen tegen komt.

Een aantal onderdelen uit de leskist heeft een eigen aansluiting met
stekkers. Bij het maken van een schakeling moet je daarom soms stekkers
in elkaar steken (zie foto), waarbij een contact “open” op tafel komt te
liggen. Pas op dat er dan geen contacten tegen elkaar komen.
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 onder in de messing houder.
Als spanningsbron gebruik je de batterijpack uit de leskist.
NB Zet de batterijpack na gebruik s.v.p. UIT !
Tussen de punten A en B sluit je een klein gloeilampje (uit de leskist) aan.
messing
5
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
Kijk wat er gebeurt, als je met het dunne (stekker)pootje zachtjes contact maakt met het QTC.
Onderzoek wat er gebeurt, als je met dat (stekker)pootje steeds ietsje harder op het QTC drukt. (Het
dunne pootje mag uiteraard geen contact maken met het messing rondje waar het QTC in zit.)

Opdracht 1
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)

Opdracht 2
Vraag: doet deze schakeling wat je op grond van de eigenschap van QTC zou verwachten?
6
februari 2016
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 met een stukje QTC is geschakeld, maar
parallel.
Je hoeft deze schakeling niet te maken, maar het mag natuurlijk
wel.
Deze schakeling heeft de eigenschap dat naarmate er harder op
het QTC gedrukt wordt, het lampje minder fel brandt.

Opdracht 3
Vraag: leg uit hoe dat komt.
Bediscussieer je antwoord onderling en met de begeleiders !
Opdracht 4 – Bijzondere schakeling (2)
Deze schakeling hoef je niet te maken, maar het mag
natuurlijk wel. Het kost wel wat meer tijd en let extra
op “open liggende” contacten.

Opdracht 4
Vraag: wat doet deze schakeling, als je of het ene
stukje QTC of het andere steeds verder indrukt ?
Geef ook de stroomrichting in beide situaties aan.
7
februari 2016
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…
klassiek model van een metaal
Hierboven zie je metaalatomen dicht op elkaar gestapeld. Als er een elektrische stroom door het
metaal gaat, stellen we ons klassiek 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
februari 2016
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.

Opdracht 5
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 2
presentatie:
QUANTUMMECHANICA
9
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
ONDERDEEL 3
ONDERZOEK VAN QTC
KWANTITATIEF ONDERZOEK
Tot nog toe heb je QTC kwalitatief onderzocht. Hoog tijd om het onderzoek kwantitatief aan te
pakken.
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 foto’s 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. Let dus op de polariteit
(+ en -) van de meters.
Het enige verschil is dat de door de sensoren gemeten waarden zichtbaar
gemaakt moeten worden met een computer. De hiervoor gebruikte
software is Coach6.
NB
Sensoren :
ROOD = + aansluiting van meter
ZWART = _ aansluiting van meter
10
februari 2016
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)
De metingen worden gedaan binnen de meetsoftware van Coach6.
Als het bijbehorende QTC-bestand is opgestart, dan 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 al is ingesteld voor de sensoren die je vandaag gebruikt.
In de andere twee kaders wordt van een serie meetpunten meteen een grafiek gemaakt.
11
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
De meetopstelling met de krachtsensor
Om goed onderzoek te doen aan QTC is een 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 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).
Als het goed is dan is het schuifblok, waarin de schroefmicrometer zit, op de juiste hoogte ingesteld.
Controleer of de schroeven van het schuifblok goed vastzitten.
De aansluitingen
Om een stroom door het QTC te kunnen sturen moet je met behulp van
het speciale draadje van opdracht 1 contact maken via het gaatje in de as
onder het plateautje ( 1 ). Voor de andere aansluiting gebruik je het gaatje
dat zich in de zij- of bovenkant van het schuifblok van de micrometer
bevindt ( 2 ).
Zie de foto hiernaast.
De stroom gaat dan in verticale richting door het QTC, als er een kracht op
wordt uitgeoefend.
2
1
12
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
Voor je begint
Maak, voor je verder gaat, eerst op het bureaublad van de computer een map. Geef deze map een
herkenbare naam, bv. gemaakt van jullie eigen namen. Tijdens het experimenteren kun je hierin
bestanden (grafieken e.d.) opslaan die je later kunt gebruiken voor analyse, presentatie, verslag e.d.
Opdracht 6 – De meetopstelling

Opdracht 6
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 spanning- en stroomsensoren als
gewone spanning- en stroommeters.
Zet nu de meetopstelling zo in elkaar dat je met de computer deze drie grootheden kunt meten:
 de spanning over het QTC (spanningssensor op ingang 1 van de ULAB)
 de stroomsterkte door het QTC (stroomsensor op ingang 2)
 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 (een rood kruis). 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.
13
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
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.
Laat de kracht eerst (langzaam) toenemen en daarna (langzaam) weer afnemen.
NB. De kracht mag absoluut niet groter worden dan 50 N !
De stroomsensor heeft een bereik van 500 mA !
Een meting start je binnen Coach 6 met de groene Start-knop
m.b.v. de rode Stop-knop
(of via Esc) .
(of via F9). De meting stop je

Opdracht 7
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 het verband tussen twee grootheden afhangt van de richting waarin één van beide 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.
Analyse, verslag, presentatie e.d.
De meetgegevens van opdracht 7 en de grafiek op het scherm kun je bewaren voor later gebruik.
Bv. om op school verder te verwerken via Coach6 of om als afbeelding op te nemen in een verslag.
Er zijn diverse mogelijkheden:
 Via Bestand – Opslaan als binnen Coach6 kun je de hele meting als .cmr-bestand opslaan
om later weer in te lezen in Coach6.
 Je kopieert de grafiek (via contextmenu onder rechter muisknop) naar het klembord.
Open een Worddocument met je eigen naam en plak daarin de grafieken. Noteer daarbij
steeds de essentiële gegevens van de bijbehorende proef / opdracht.
Sla bestanden op in je eigen map op de computer-desktop of op jouw usb-stick. Eventueel kun je het
mailen aan jezelf.
14
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
ONDERDEEL 4
EIGEN ONDERZOEK of
TECHNISCH ONTWERP
Afhankelijk van het gekozen programma zijn er nu verschillende mogelijkheden voor verder
onderzoek, een technisch ontwerp en/of een presentatie.
Je hebt nu wat ervaring met het gedrag van QTC en misschien al een paar eigenaardig dingen
gezien. Ook heb je wellicht al gediscussieerd over mogelijke oorzaken voor bepaalde effecten in de
metingen die je tot nu toe gedaan hebt.
Op grond hiervan kun je een onderzoeksvraag formuleren. Bedenk hierbij goed welke variabele je
voor dat onderzoek moet kunnen instellen, welke je als afhankelijke grootheid moet meten en vooral
ook welke variabelen je constant moet (kunnen) houden !
Bij opdracht hieronder geven een voorbeeld van zo’n nieuwe onderzoeksvraag.
Maar bij opdracht 9 kun je er echt zelf een opstellen !
Opdracht 8 – Wet van Ohm? Een eigen onderzoeksvraag
Zoals je weet bepaalt in het algemeen de spanning over een geleider de stroomsterkte door de
geleider (maar bij QTC speelt blijkbaar ook de op het QTC uitgeoefende kracht een rol). Bij een
stukje constantaandraad blijkt de spanning recht evenredig te zijn met de stroomsterkte. Deling van
spanning en stroomsterkte levert dan altijd dezelfde uitkomst: de weerstand. Bij constantaan geldt
dus de wet van Ohm.
Bij een lampje blijkt de verhouding tussen spanning en stroomsterkte niet constant te zijn: bij een
grotere spanning neemt de stroomsterkte wel toe, maar de verhouding van spanning en stroomsterkte (de weerstand) wordt ook groter. Oorzaak is de hogere temperatuur van de gloeidraad.
Hoe zit dat bij QTC? Wat is daar het verband zijn tussen de spanning en de stroomsterkte.
Dat verband ga je nu onderzoeken.

Opdracht 8A
Formuleer op het antwoordblad je onderzoeksvraag.
Je gaat aan de slag om te proberen (een) antwoord(en) te vinden op je onderzoeksvraag.

Opdracht 8B
Gebruik de ruimte op het antwoordblad voor aantekeningen / schetsen / schema’s / metingen / enz..
Formuleer ook je conclusie(s).
15
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
Opdracht 9 – Eigen onderzoek (& onderzoeksvraag)
Tijdens het uitvoeren van opdracht 7 (en eventueel opdracht 8) heb je verschillende proeven gedaan
met QTC. Daarbij heb je verschillende grootheden ingesteld en gemeten. Er zijn je ongetwijfeld
bijzonderheden opgevallen, die je verder kunt onderzoeken.
Je wordt nu uitgedaagd zelf een onderzoeksvraag op te stellen die betrekking heeft op de fysische
eigenschappen van QTC.

Opdracht 9A
Formuleer je onderzoeksvraag op het antwoordblad.
Je gaat aan de slag om te proberen (een) antwoord(en) te vinden op je onderzoeksvraag.

Opdracht 9B
Gebruik het antwoordblad voor aantekeningen/schetsen/schema’s/metingen/enz.
Formuleer daar ook je conclusie(s).
Opdracht 10 – Technisch ontwerp
Je hebt eigenschappen van QTC onderzocht en je hebt een paar schakelingen met QTC gemaakt
waarin je kon zien hoe QTC gebruikt kan worden. Je zou een nieuw nuttig apparaat kunnen
bedenken waarin QTC toegepast wordt.
Het ontwerp van zo’n apparaat, waarin o.a. 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.
Bedenk een (liefst origineel) technisch ontwerp met een stukje QTC. Let er op dat de bijzondere
eigenschappen van QTC in het apparaat toegepast worden.

Opdracht 10
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.
16
februari 2016
QTC – fysisch onderzoek – sciencelab 5VWO
Vrije Universiteit Amsterdam
ONDERDEEL 5
PRESENTATIE
of VERSLAG
EINDE
17
februari 2016