SUPERCOMETMultimedia Onderwijsinstrument voor Supergeleiding, tweede versie

InleidingLesgeven met SUPERCOMET2

ICT in natuurwetenschappelijk onderwijsManieren om ICT in de klas te gebruiken

De natuurkunde van supergeleidingAchtergrondinformatie

De modulesBenodigdheden, Leerdoelen, Kennistoetsen

Voorbeelden van activiteitenSuggesties voor lessen

ExperimentenElementair, Geavanceerd, Nascholing voor leraren

EvaluatieRecensies, commentaar van leraren en leerlingen

Aanvullende bronnenBoeken, Weblinks

Handleiding voor leraren

Over SUPERCOMET2De 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 ProjectHet 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 ASP.O. Box 27, NO-2006 Løvenstad, Noorwegen

RedactieVegard Engstrøm, Heimo Latal, Leopold Mathelitsch, Gerhard Rath

UitgeverSimplicatus AS

AuteursFrancesca Bradamante, Michela Braida, Aileen Earle, Vegard Engstrøm, Barbara Fedele, Jenny Frost, Gren Ireson, Heimo Latal, Harvey Mellar, Marisa Michelini, Wim Peeters, Alberto Stefanel

IllustratiesVisualize DA

FotografieUniversiteit 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, BelgiëUniversiteit van Antwerpen, België

Geo Milev English Language School, Rousse, BulgarijeUniversiteit van Rousse, Bulgarije

Maticni Gymnazium, Ostrava, TsjechiëUniversiteit 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, PolenPomorska 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 KoninkrijkInstitute of Education, Universiteit vanLondon, Verenigd Koninkrijk

Inhoudsopgave

Inleiding..............................................................................................................................................4Doelen van de SUPERCOMET2 CD en leraren handleiding.....................................................4SUPERCOMET2 – het programma .........................................................................................5Les geven met SUPERCOMET2...............................................................................................8

ICT in wetenschappelijk lesgeven................................................................................................13Voornaamste vormen van ICT relevantie in natuurkunde op school.......................................13Waarom ICT gebruiken in de natuurkundige lesgeving?.........................................................15Manieren om ICT te gebruiken in het klaslokaal......................................................................17Vinden, aanpassen en delen van supergeleiding lesmateriaal................................................19

Natuurkunde en Supergeleiding...................................................................................................20De Modules.....................................................................................................................................29

Overzicht..................................................................................................................................29Magnetisme..............................................................................................................................30Elektromagnetische inductie....................................................................................................33Elektrische geleiding................................................................................................................35Geschiedenis van supergeleiding............................................................................................37Introductie in supergeleiding....................................................................................................39Toepassingen van supergeleiding...........................................................................................41Supergeleidende materialen....................................................................................................44Uitleg over supergeleiding........................................................................................................46Activiteiten met supergeleiders................................................................................................47

Voorbeelden van activiteiten.........................................................................................................48Effecten van temperatuur op de weerstand van metalen en van supergeleiders....................48Voorgestelde lessen in supergeleiding....................................................................................50SUPERGELEIDING – Stimulerende werkbladen voor leerlingen............................................56

Experimenten – leraren nascholing..............................................................................................70Het overzicht van de leraren nascholing..................................................................................70Lesmethodes – actief leren......................................................................................................71Werken met vloeibaar stikstof en magneten............................................................................77Zweef experimenten.................................................................................................................78Handmatige activiteiten met magnetische en elektromagnetische verschijnselen..................83Hoe maak je een eigen supergeleider.....................................................................................88De overgang meten van de temperatuur van een supergeleider.............................................90

Evaluatie..........................................................................................................................................95Standaard Informatie................................................................................................................95Deskundige recenties: Twee voorbeeldstudies.......................................................................96Lerarencommentaar op het materiaal......................................................................................98Leerlingencommentaar op het materiaal..................................................................................99

Verdere Bronnen............................................................................................................................105

InleidingDoelen 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 bewijs2. de mogelijke manieren verkennen om het fenomeen te gebruiken3. de technische implicaties van een nieuwe ontdekking te verkennen4. te beschrijven hoe wetenschappers data krijgen en interpreteren5. te beschrijven hoe de wetenschap en technologie nieuwe ideeën gebruiken6. wetenschappelijke ideeën te communiceren naar verschillende doelgroepen7. 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 lerarenhandleidingDe 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.

DoelgroepDe 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:

NavigatieHoofdmenuTalenHelpVerklarende woordenlijstFAQ

HoofdmenuMagnetisme Elektromagnetisch inductieElektrische geleidingIntroductie in de supergeleidingToepassingen van supergeleidingActiviteiten met supergeleidersGeschiedenis van supergeleidingSupergeleidend materiaalVerklaring van supergeleiding

Zoeken

AnimatiesTekstbronnenBladwijzer gereedschap

ActiviteitVideo’sFoto’sReferentiesLinks

Een snelle startgids1. 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 benodigdhedenVoor 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 benodigdhedenMS Internet Explorer 6.0 of beter

Gebruik maken van het SUPERCOMET2 programmaPlaats 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)...

Klik hier om het hoofdmenu, de help, de woordenlijst of de FAOs te vinden en de taal te kiezen

Met deze knop kan u een pagina bookmarken waar u later terug wil komen. Het is niet mogelijk meerdere pagina’s te bookmarken.

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.

De zoek balk

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 info@supercomet.eu 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 lerarenEr 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 klas- en individuele activiteiten, kunnen zij het leren door studenten een ander gezicht geven. Onderstaande lijst bevat een aantal technieken, zie Osborne & Hennessy (2003).

MeetsystemenMeetsystemen, 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.

VideometenVideomeetsystemen 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.

InformatiesystemenDeze 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.

ModellerenEen 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.isee system s.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 SoftwareMultimedia 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 presentatiemiddelenStudenten 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 technologieComputerprojectie 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 gebruikenÉén 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:

DemonstratieproevenDemonstratieproeven 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 wisselactiviteitenAls 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’ lesU 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 niet-computer activiteit zetten zoals het doen van een experiment. De twee groepen kunnen dan halverwege de les wisselen.

Gebruik van bestaande bronnen over supergeleidingEen 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 inschattenBECTA (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?

1 Zoekopdracht van 3 Sept. 20072 Naar Fullick (2004)

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 lesmateriaalEr 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 materiaalAls 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 kwestiesControleer 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 supergeleiding1. 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).

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 "Meissner-Ochsenfeld 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.

0.025

0.05

0.075

0.125

0.00

0.10

4.00 4.10 4.20 4.30 4.40

Hg

10-5Ω

Weerstand in Ω

Temperatuur in K

Fig. 2: Meissner-Ochsenfeld-Effecthttp://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.

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).

N

B

T > TC T < TC

Is

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).

a)Bc

-4πM

Type 1

B Tc

B

Meissner

Bc

b)T

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 massa-afhankelijke 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 supergeleider-gewone 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.

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 .

S S

US

I

R U0

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 Meissner-Ochsenfeld-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).

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.

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).

Ba

Tc

b)

B

Meissner

Bc1

Bc2

Gemengd

Gewoon

TGewone toestand

Bc2Bc1 Bc

Werveltoestand

Supergeleidendtoestand

a)

-4πM

B

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) isbij 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 YBCOhttp://commons.wikimedia.org/wiki/Image:YBCO-3D-balls.png

De modules Overzicht

Wat is de wetenschappelijke achtergrond van supergeleiding?

MagnetismeElektromagnetische inductieElektrische 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

VoorkennisOm 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 zijn3. de magnetische veldlijnen in en uit de polen van de magneet lopen4. een elektrische stroom door een draad een magneetveld produceert rondom die draad5. basisbegrippen van elektrische circuits kennen

LeerdoelenOp 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

VoorkennisOm met het SUPERCOMET2 materiaal te werken zouden de leerlingen al het volgende moeten kunnen:

1. de concepten “magnetisch veld”, “magnetische kracht” en magnetisme” gebruiken2. inzien dat een geladen deeltje een elektrisch veld in zijn buurt opwekt3. inzien dat elektronen in een geleider bewegen4. inzien dat elektriciteit en magnetisme twee uitingen zijn van hetzelfde fenomeen5. inzien dat een elektrische stroom een magnetisch veld opwekt

LeerdoelenOp 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

VoorkennisOm met het SUPERCOMET2 materiaal te werken zouden de leerlingen al het volgende moeten kunnen:

1. de concepten “elektriciteit”, “elektrische stroom” enz. gebruiken2. begrijpen dat een lichaam geladen wordt wanneer het een teveel of een tekort aan elektronen heeft3. een atoom beschrijven met het schillenmodel4. een rechtevenredig of omgekeerd evenredig verband tussen grootheden herkennen5. de termen warmte en temperatuur gebruiken

LeerdoelenOp 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 onderwerpen1.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 beperken3. 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 1,7·108 ·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.

Deze grafiek toont, voor twee geleiders A en B, het verband tussen het spanningsverschil V tussen de uiteinden en de stroomsterkte I. Wat kun je over allebei zeggen?

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?

V

I

A

B

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

VoorkennisOm met het SUPERCOMET2 materiaal te werken moeten de leerlingen al:

1. begrijpen dat er een verschijnsel als supergeleiding bestaat2. inzien dat supergeleiding verband houdt met elektriciteit en magnetisme3. 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 vergroten4. 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 resultaten6. 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

VoorkennisOm gemakkelijk met “Inleiding in de supergeleiding” te werken zouden de leerlingen al:

1. een praktische kennis van elektriciteit en magnetisme moeten hebben2. 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.

LeerdoelenIn verband met de verschijnselenAan 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 theorieAan 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.

Kennistoets1. 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

VoorkennisOm 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.

LeerdoelenNa 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 helpt5. 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

Kennistoets1. 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

VoorkennisOm 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 hoge-

temperatuur supergeleiders alleen type II kunnen zijn?

10. Waarom worden lage-temperatuur supergeleiders gebruikt in deeltjesversnellers, en geen hoge-temperatuur 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

VoorkennisOm ‘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 onderscheiden2. beschrijf het verloop van het Meissner experiment in detail3. verklaar het Meissner-Ochsenfeld effect vanuit een microscopisch gezichtspunt4. weten dat het Meissner effect geen stabiel zweefgedrag kan opleveren5. het ‘vastpin’ experiment (verankeringsproef) beschrijven6. het vastpin-effect verklaren aan de hand van magnetische wervellijnen en fluxkwantisatie7. uit kunnen weiden over het Josephson effect, zijnde de basis van SQUIDs8. de BCS theorie kennen als een verklaring voor lage-temperatuur supergeleiders9. weten dat er feitelijk geen succesvolle theorie bestaat voor hoge-temperatuur supergeleiding

Kennistoets1. 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

VoorkennisOm 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 krijgen4. uit kunnen leggen hoe de kwaliteit van de geproduceerde supergeleider te testen is5. beschrijf een meting van de overgangstemperatuur van een supergeleider6. 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

LeerdoelenAan het eind van de les moeten de leerling:

o De effecten van temperatuurveranderingen op de soortelijke weerstand van metalen begrijpeno Weten dat supergeleiders zich anders gedragen dan andere geleiderso Het verschil tussen hoge-temperatuur en lage-temperatuur supergeleiders begrijpeno In staat zijn de vorm van een grafiek van de temperatuur tegen de soortelijke weerstand te

herkennen en te schetsen, zowel voor metalen als supergeleiderso 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

VeiligheidsoverwegingenHanteren van vloeibare stikstof is gevaarlijk. Overtuigt u zich ervan dat de juiste veiligheidsmaatregelen genomen zijn.

Tijd LesplanVoornaamste punt om te behandelen: hoe beïnvloedt de temperatuur de soortelijke weerstand van verschillende soorten materialen?

5 min 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 de leerlingen uit te leggen wat ze hebben waargenomen.Verklaar het effect van de temperatuur op de soortelijke weerstand van koper.

20 min 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.

35 min 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.

50 min 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 Groep B Groep C Groep D Koper Kwik YBCO Koolstof Zilver Lood BiSCCO Rubber Goud Niobium Tl2Ba2Ca2Cu3O10 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.

70 min 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.

90 min 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)

Materiaalsoort Soortelijke weerstand Geschatte Tc Werkelijke TcGroep A Koper

ZilverGoud

Groep B KwikLoodNiobium

Groep C YBCOBiSCCOTl2Ba2Ca2Cu3O10

Groep D KoolstofRubberPorcelein

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 demonstratiesHet 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.

TijdsindelingHet 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 leeractiviteiten1. 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 denktaken3. Bronnenonderzoek4. Vervolgtaken5. 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 bestellenSupergeleider 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!

WoordgebruikStrikt 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 1Inleiding 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 3Onderzoek naar hulpbronnenNa 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 4Vervolgwerk – 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 5Terugkoppeling 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:

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?

Voorbeeld van een werkblad over inleiding in magnetisme

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 demonstratiesHet 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!

TimingDe 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, denkvragen3. Onderzoek in secundaire bronnen4. Opdrachten5. 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 1Inleiding op de elektrische eigenschappen van supergeleiders.

Voor dit onderdeel is er voldoende materiaal aanwezig op de CD. Men kan de temperatuur-weerstand 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 2Demonstratieproeven 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 uitbrengenVoorgestelde tijd: 10 minuten.

Deel 3Onderzoek 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. Een aantal hints of bijkomende vragen van de leerkracht2. Enkele bewust gekozen boeken waarbij de relevante pagina’s aangeduid worden3. Uitleg door de leerkracht, ingegeven door het onderwijs-leergesprek4. 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 4Opvolging huiswerk- projectwerk:

1. Gebruik de Cd-rom om suggesties te verifiëren en werk dat verder uit2. 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 onderzoek6. 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 5Terugkoppeling 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:

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?

Voorbeeld van een werkblad over de inleiding tot magnetisme.

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.

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.

Voorbeeld van een werkblad over de inleiding tot elektromagnetisme

SUPERGELEIDING – Stimulerende werkbladen voor leerlingenMichela 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 WISSELWERKINGmagnetische kompasnaald magneet

een stukje magnetiet

een ijzeren muntstuk of ring een koperen muntstuk een aluminium muntstukstalen 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?

Ja Nee

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?

Ja Nee

Denk je dat de tekening dezelfde zal zijn wanneer we tafel schuin zouden houden, dus in een

ander vlak zouden kijken?

Ja Nee

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?

Ja Nee

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 magnetenVier 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?

Ja Nee

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?

Ja Nee

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?

Ja Nee

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?

Ja Nee

Heeft de supergeleider invloed op de stand van de naald?

Ja Nee

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?

Ja Nee

Heeft de supergeleider invloed op de stand van de naald?

Ja Nee

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:

k=constante

We gebruiken deze formule om de totale magnetische veldsterkte op de plaats van het kompas te bepalen via

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 lerarenHet 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

QuizMotivatie voor leerlingen

Spelvorm, gewonnen punten, sociale interactie, discussiesWaarom?

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

MethodeTraditionele 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.

KennisconstructieDoel: 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 theorieKorte leereenheden met cyclus: experimenten-formule-oefeningen-toepassingen

Roterende hoekenDoel: 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 weerstandReeks van experimenten met magneten die inductieverschijnselen illustrerenReeks van experimenten om de valversnelling te bepalen (helling, triller, sensor, video)Reeks van experimenten over breking van een lichtstraalReeks van experimenten over energievormen/omzettingenOefeningenreeksen

Labo-expertsDoel: studenten groeien uit tot expertgroep voor één deelexperiment; ze geven deze kennis door.Duur: minimum een lesuurWerkwijze:Stap 1: BASISGROEPDe 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 zichDe 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: BASISGROEPElke `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:OefeningenOpdrachtenReeks van experimenten over de invloed van de temperatuur op de weerstandReeks van experimenten met magneten die inductieverschijnselen illustrerenReeks van experimenten om de valversnelling te bepalen (helling, triller, sensor, video)Reeks van experimenten over breking van een lichtstraalReeks 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 magnetenSommige 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

1. Vloeibare stikstof – een Dewarvat met ongeveer 1 liter vloeibare stikstof2. Plastic/piepschuim bekers3. Pyrex petrischaaltjes4. Pyrex beker5. 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 computers10. Toegang tot het internet (niet essentieel)11. Naslagmateriaal (artikelen, boeken,...)

Demonstraties

Demonstratie 1: Vloeibare stikstof is erg koudDemonstreer 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 ringDe 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 stikstofWanneer 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 supergeleiderDeze 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 1Leg 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 2Herhaal 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 3Leg 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 3bisDeze 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 4Herhaal 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…

DenkvragenDeze vragen kunnen het best geïntegreerd worden in de demonstratie, bij de waarnemingen en besprekingen.

AlgemeenWaarom 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-ring1. 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’s1. 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 draait1. 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 opheffen1. 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 hoge-temperatuur 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 verschijnselenBarbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Udine (I)

1 – Magnetische bootjesTwee 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 verenTwee 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 magnetenWe 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 veldEen 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 stroomTwee 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 spoelEen 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 spoelenTwee 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 spoelenTwee 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 supergeleiderBernadette 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. 556http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/41/6/012/pe6_6_012.pdf?request-id=yjmElR973BG1Y-Qd3Ai7Kg

InhoudIn 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.

InleidingIn ”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 weerstandIn 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.

Om een

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.

Figuur 1: eenvoudige meting van een weerstand

supergeleider

Naar het thermokoppel

V

A

Supergeleider

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)).

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.

Het meten van de temperatuurWetende 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 thermokoppel geeft een 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

Figuur 2: 4-punt-contact methode voor het bepalen van de weerstand

Figuur 3: een 4-punt contact met zilververf

A

V

Supergeleider

Geïsoleerd drinkbekertje

Aluminium drinkbeker

Glazen korrels beads

4-punt contact opstelling*

Naar voltmeter 1

Thermokoppel draden, naar voltmeter 2

Naar ampèmeter en variabele weerstand

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 verbonden.

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:

*Overgenomen van http://www.users.qwest.net/~csconductor/, op 25.04.06

Figuur 4: de proefopstelling

MethodeEen 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 Spanning/mV60 7.6070 6.9280 6.2990 5.90100 5.52110 5.16120 4.81130 4.46140 4.11150 3.76160 3.43170 3.12180 2.83190 2.52200 2.23210 1.93220 1.64230 1.39240 1.14250 0.89260 0.65270 0.40280 0.20290 0.00300 -0.20

Figuur 5b: ruwe metingen

V1(V)Stroomsterkte

(A) Weerstand(Ω) V2(mV) Temperatuur(K)0.0 0.4 0.0 6.3 83.00.0 0.4 0.0 6.2 85.10.0 0.4 0.0 6.1 87.30.0 0.4 0.0 6.0 89.60.2 0.4 0.5 5.9 91.80.5 0.4 1.3 5.9 91.80.6 0.4 1.5 5.9 91.80.7 0.4 1.8 5.9 91.80.8 0.4 2.0 5.9 91.80.9 0.4 2.3 5.8 94.21.0 0.4 2.5 5.8 94.21.0 0.4 2.5 5.7 96.51.1 0.4 2.8 5.6 98.91.1 0.4 2.8 5.5 101.31.1 0.4 2.8 5.4 103.8

Deze gegevens leiden tot de omzettingsvergelijking:

T = 1.77U2 - 43.80U + 288.67

Uit de aflezing van de spanning op het thermokoppel (U) kan via deze vergelijking de heersende temperatuur berekend worden.

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.

ResultatenDoor 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.

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

Temperatuur (K)

Weerstand (Ω)

Kritische temperatuur: ~90K

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0

Evaluatie

BasisinformatieHet 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 aangereikt5. 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 leerlingenSoms 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 materiaalDit 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.

5 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).

Beoordelingen door experts: twee voorbeeldenIn dit onderdeel wordt in grote lijnen de evaluatie van twee groepen experts uit Udine en Murcia gegeven als mogelijke gids bij een volledige beoordeling.

UDINEA. 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 gemiddelde3. gemiddeld4. 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 Verwijst naar natuurkunde8 Verwijst naar actieve deelname bij de activiteiten in de klas

Mei – 2006 INSTRUMENTEN MULTIMEDIA WERK

16de14:20 – 15:15

ICT attitudes en kennis vragenlijst

17de14:20 – 15:15

Test voorkennis ”Elektrische geleiding”

18de9.00 – 10.00

LEERLINGEN WERKEN MET MULTIMEDIA MATERIAAL

19de11:20 – 12:15

Observatie

19de12:30 – 13:25

Observatie

23ste14:20 – 15:15

24ste14:20 – 15:15

25ste9.00 – 10.00

Test ”Elektrische geleiding”

26ste11:20 – 12:15

SUPERCOMET2vragenlijst

Leerlingen in het BRG Kepler Graz werken met de SUPERCOMET2 applicatie

De mening van de leerkrachten over het materiaal

Doelgroep/online discussie (Leerkrachten)

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?

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)

ExperimentenLeerlijnCommentaar:

2. Hoe aantrekkelijk en interessant zijn volgens u deze materialen voor uw leerlingen?

Helemaal niet aantrekkelijk

Een beetje aantrekkelijk

Aantrekkelijk

Erg aantrekkelijk

Ik, weet het niet

Informatie over het onderwerp (Supergeleiding)

ExperimentenLeerlijnCommentaar:

3. 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)

Leerkrachten code:

Leerkrachten code:

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 M/V: 2 Leeftijd: …………jaar

Erg oneens

Oneens Enigszins eens

Sterk mee eens

Weet het niet

3 Ik vind fysica/natuurkunde interessant4 Ik vind het onderwerp supergeleiding interessant5 Het SUPERCOMET2 materiaal is interessant6 Het SUPERCOMET2 materiaal stimuleert mijn

verbeelding/fantasie7 Het SUPERCOMET2 materiaal is gemakkelijk te

gebruiken 8 Het SUPERCOMET2 materiaal is aantrekkelijk9 Het SUPERCOMET2 materiaal helpt me bij het leren10 Het SUPERCOMET2 materiaal biedt zinvolle

nieuwe ervaringen11 De hoeveelheid tekst in het SUPERCOMET2

materiaal is goed/evenwichtig

12 De teksten in het SUPERCOMET2 materiaal zijn 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

19 Ik heb verrassende dingen gezien in het SUPERCOMET2 materiaal

20 Het SUPERCOMET2 materiaal veroorzaakte discussies in de klas

21 Door het SUPERCOMET2 materiaal veranderde mijn houding tegenover sommige dingen

22 De experimenten in deze cursus over supergeleiding waren interessant

23 Welke onderdelen van de cursus supergeleiding op basis van het SUPERCOMET2 materiaal vond je bijzonder leuk en gemakkelijk?

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

AlgemeenIdentificatie:School:Graad/niveau:Aantal leerlingen:

GeschiedenisDoet 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?

LeraarWelk diploma/bevoegdheidsbewijzen haalde de leerkracht?Hoeveel ervaring heeft de leerkracht in het gebruik van ICT?

LeerlingenWelk 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?:

LesmethodeFrontaal 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 klasFrequentie (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

AlgemeenIdentificatie 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

ProcedureBeschrijf 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

ObservatieMate van gebruik+++ ++ + - -- ---

Leerlingen vragen iets aan de leraar

Over de computerOver multimediaAndere

Leerlingen vragen iets aan elkaar

Over de computerOver multimediaAndere

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

ProblemenBeschrijf de problemen die zich eventueel voorgedaan hebben en hoe ze opgelost werden

Algemene Observatie/EvaluatieWaren 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 leerkrachtIdentificatie 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 bronnenBoeken 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 – Een handleiding voor leerkrachten VO gemaakt door Oak Ridge National Laboratory

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/science-society/document_library/pdf_06/report-rocard-on-science-education_en.pdf