Aufgabe 2 — Highspeed-Blitzlichtkondensator
In der Highspeed-Fotografie spielt die Mindestbelichtungszeit für die Aufhebung der Unschärfe bei bewegten Objekten die entscheidende Rolle. Mechanische Verschlüsse können kurze Belichtungszeiten selbst bei Objekten wie einer sich langsam bewegenden Hummel nicht realisieren. Um kurze Belichtungen umzusetzen, wurden externe Blitzgeräte eingeführt. Ein Lösungsversuch für kleine Belichtungsdauern war in den siebziger Jahren der sogenannte Lüttge-Blitzlichtkondensator.
Beschreibe den Aufbau eines solchen Kondensators und erläutere seine Vorteile hinsichtlich der Kapazität und Spannung im Vergleich zu einem luftgefüllten Plattenkondensator unter Verwendung von Material 5.
Berechne aus den Werten in Material 5 die maximal speicherbare Energie eines Lüttge-Blitzlichtkondensators.
Der Verlauf des Entladestroms soll aufgezeichnet werden.
Berechne die Anfangsstromstärke eines Lüttge-Blitzlichtkondensators.
Zeichne mithilfe einer Wertetabelle die Entladekurve für die Stromstärke in den ersten 
und ermittle die Halbwertszeit der Entladung.
Hinweis: Die Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeitspanne von der Anfangsstromstärke nur noch 
vorhanden sind.
Ermittle graphisch die Ladungsmenge, die während der ersten abgeflossen ist, und vergleiche das Ergebnis mit den Angaben über die gespeicherte Ladungsmenge in Material 5.
Der Lüttge-Blitzlichtkondensator wurde lange Zeit in der Naturfotografie für Highspeed-Aufnahmen verwendet. Allerdings wird heutzutage vor der Verwendung gewarnt.
Beurteile die Gefahren, die beim Fotografieren in der Natur mit einem Lüttge-Blitzlichtkondensator auftreten können.
Nenne ausgehend von dem Prinzipienschaltbild in Material 6 mögliche Veränderungen im Aufbau, sodass eine variable Belichtung erfolgen kann, und beschreibe kurz, wie diese Veränderungen umgesetzt werden können.
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 5: Aufbau und Funktionsweise eines Lüttge-Blitzlichtkondensators
In der Fotografie können selbst vermeintlich langsame Bewegungen von Insekten wie einer bummelnden Hummel, also einer Hummel, die von Blüte zu Blüte fliegt, ein Problem darstellen. Modernste Technik, zum Beispiel in Smartphones, erlaubt heutzutage Aufnahmen solcher Bewegungsabläufe. In den siebziger Jahren wurden solche Bewegungen durch sogenannte Lüttge-Blitzlichtkondensatoren, also Metallpapierfolienkondensatoren, ermöglicht. Kurze Belichtungszeiten waren hiermit für die Highspeed-Fotografie zu realisieren.
Folienkondensatoren sind prinzipiell aus zwei Elektroden und einer dünnen Isolierfolie aufgebaut. Die dünnen Metallfolien werden durch die Isolierfolie voneinander getrennt. Die Isolierfolie dient als Dielektrikum. Die Folienkondensatoren werden aufgewickelt, sodass eine kompakte Bauweise mit hohen Kapazitäten entsteht. Das Dielektrikum kann bei Folienkondensatoren Dielektrizitätszahlen von 
bis 
annehmen.
Aufgrund ihrer gewickelten Form erreichten die Kondensatoren eine maximale Kapazität von 
bei einer Ladespannung von 
Die Blitzdauer beziehungsweise die Belichtungsdauer und somit die Zeit für einen Stromstärkenabfall um 
bei Entladung des Kondensators beträgt insgesamt 
Die restliche Stromstärke steht zur Belichtung nicht zur Verfügung. Der Stromstärkenabfall erfolgt über einen Vorwiderstand von 
Stromstärken von einigen 
zum Zünden der Blitzröhren waren die Regel.
Der Lüttge-Blitzlichtkondensator selbst ist mit einer metallischen Hülle und einem Metallstecker versehen. Dieser dient als Verbindung zwischen Kondensator und Blitzröhren. Des Weiteren findet sich ein Synchronkontakt zur Kamera, um das Auslösen des Blitzes zu ermöglichen.
Material 6: Prinzipienschaltbild mit Blitzlichtkondensator
Abbildung 3: Prinzipienschaltbild mit Blitzlichtkondensator
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Beschreiben des Aufbaus
Der Lüttge-Blitzlichtkondensator ist ein Folienkondensator. Er besteht aus zwei dünnen Metallfolien, zwischen denen sich eine dünne isolierende Papierfolie befindet. Diese trennt die Elektroden voneinander und wirkt als Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätszahl von etwa 
Die übereinanderliegenden Folien werden aufgewickelt, umhüllt und mit elektrischen Kontakten versehen.
Erläutern der Vorteile hinsichtlich der Kapazität
Für die Kapazität eines Plattenkondensators gilt 
Aus dem Aufbau eines Lüttge-Blitzlichtkondensators ergeben sich gegenüber einem luftgefüllten Plattenkondensator folgende Vorteile:
-
Durch das Aufwickeln der Folien wird eine größere wirksame Kondensatorfläche
erreicht. -
Die Trennung der Metallfolien durch eine Isolierfolie sorgt für einen kleinen Abstand
zwischen den Elektroden. -
Außerdem besitzt die Isolierfolie eine größere relative Dielektrizitätszahl als Luft, für die näherungsweise
gilt.
Alle drei Eigenschaften führen zu einer größeren Kapazität als für einen luftgefüllten Plattenkondensator. Gemäß 
ist somit für die gleiche gespeicherte Ladung 
eine geringere Spannung nötig.
Es gilt:
Einsetzen der Werte ergibt:
Es gilt:
![Formula: \begin{array}[t]{rll} R & = & \dfrac{U_0}{I_0} &\quad\scriptsize\mid\, \cdot \dfrac{I_0}{R} \\[5pt] I_0 & = & \dfrac{U_0}{R} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/47e3638157e4505e76d06b8bb352b9412e607543683db9c55bb4bcea99f76bea_light.svg)
![Formula: \begin{array}[t]{rll} R & = & \dfrac{U_0}{I_0} &\quad\scriptsize\mid\, \cdot \dfrac{I_0}{R} \\[5pt] I_0 & = & \dfrac{U_0}{R} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/47e3638157e4505e76d06b8bb352b9412e607543683db9c55bb4bcea99f76bea_dark.svg)
Einsetzen der Werte ergibt:
Erstellung der Wertetabelle
Mit der Gleichung 
ergeben sich folgende Wertepaare:
|
|
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zeichnen der Entladekurve
Ermitteln der Halbwertszeit
Aus dem Graphen kann eine Halbwertszeit von etwa 
abgelesen werden.
Die Ladungsmenge, die in einem Zeitraum abfließt, entspricht der Fläche unter der Entladekurve 
in diesem Zeitraum. Die Fläche unter der Kurve ist in der obigen Abbildung ca. 
Kästchen groß. Jedes Kästchen entspricht einer Ladung von:
In den ersten sind somit ca. 
abgeflossen. Die im Kondensator laut Material 5 gespeicherte Ladung beträgt etwa:
In den ersten fließen somit etwa 
der gespeicherten Ladung ab.
Physikalische Aspekte
Ein Lüttge-Blitzlichtkondensator hat mehrere Eigenschaften, die von Natur aus gefährlich sind:
-
hohe gespeicherte Energie
-
Speicherung bei hoher Spannung
-
Entladung mit hoher Stromstärke
Nicht-physikalische Aspekte
Bei der Nutzung in der Natur sind die äußeren Bedingungen nicht immer so anpassbar, dass die entsprechenden Risiken minimiert werden können. Beispielsweise steigt bei hoher Luftfeuchtigkeit die Leitfähigkeit der Luft und damit das Risiko eines Kurzschlusses bei hoher Spannung.
Bei einer sehr trockenen Umgebung steigt hingegen das Risiko eines Brandes aufgrund eines Kontakts mit den durch die hohen Stromstärken erhitzten Kontaktflächen. Außerdem kann die Aufmerksamkeit der fotografierenden Person durch unvorhergesehene Ereignisse in der Natur plötzlich eingeschränkt sein.
Urteilsbildung
Bei der Nutzung anderer technischer Möglichkeiten, wie zum Beispiel Smartphonekameras, bestehen diese Gefahren nicht oder nur in deutlich geringerem Ausmaß. Die Gefahren und Risiken durch die Nutzung eines Lüttge-Blitzlichtkondensators für die Naturfotografie sind ungerechtfertigt hoch.
Die Belichtung ändert sich zum Beispiel durch folgende Veränderungen:
-
Änderung der Spannung
-
Änderung der Kapazität
-
Änderung der Widerstände der Bauteile
-
Änderung der Abschaltbedingung
Damit die Belichtung variabel erfolgen kann, müssen diese Veränderungen gesteuert werden können, zum Beispiel durch eine regelbare Spannungsquelle, regelbare Kondensatoren oder den Einbau eines regelbaren Widerstands.