Aufgabe 2 — Highspeed-Blitzlichtkondensator
In der Highspeed-Fotographie spielt die Mindestbelichtungszeit für die Aufhebung der Unschärfe für bewegte Objekte 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.
Die Lüttge-Blitzlichtkondensatoren gehören zur Gruppe der Folienkondensatoren.
Beschreibe deren Aufbau und erläutere deren Vorteile hinsichtlich der Kapazität und Spannung im Vergleich zu einem luftgefüllten Plattenkondensator unter Verwendung von Material 6.
Erläutere die Ursachen und Folgen von für Dielektrika.
Es wird nun angenommen, dass sich der Lüttge-Blitzlichtkondensator entsprechend der Angaben in Material 6 entlädt. Zur Vereinfachung wird angenommen, dass der Widerstand der Schaltung dabei konstant ist.
Zeige unter Nutzung des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke bei der Entladung, dass der Widerstand bei der Entladung beträgt.
Stelle die Entladestromstärke in Abhängigkeit von der Zeit für die Blitzdauer dar. Ermittle die Halbwertszeit des Lüttge-Blitzlichtkondensators.
Hinweis: Die Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeitspanne von der Anfangsstromstärke nur noch vorhanden sind.
Ermittle graphisch die Ladung des Lüttge-Blitzlichtkondensators und vergleiche das Ergebnis mit den Angaben in Material 6.
Beim Lüttge-Blitzlichtkondensator erfolgte eine Entladung unabhängig von der notwendigen Belichtung eines Objektes.
Erläutere ausgehend von dem Prinzipienschaltbild eines Lüttge-Blitzlichtkondensators in Material 7 Veränderungen im Aufbau, sodass variable Belichtungszeiten möglich sind.
Der Lüttge-Blitzlichtkondensator wurde lange Zeit in der Naturfotographie für Highspeed-Aufnahmen verwendet. Moderne Highspeed-Blitzlichtgeräte, welche mit einer Kapazität von bei
arbeiten, lösen die Lüttge-Blitzlichtkondensatoren ab. Es wird derzeit ein Verkaufsverbot für vorhandene Ersatzteile der Lüttge-Blitzlichtkondensatoren diskutiert.
Bewerte solch ein mögliches Verkaufsverbot. Vergleiche dazu die Betriebsspannungen und gehe auf weitere physikalisch-technische Aspekte sowie die äußeren Bedingungen bei der Naturfotographie ein.
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 6: Aufbau und Funktionsweise eines Lüttge-Blitzlichtkondensators
In der Fotographie können selbst vermeintlich langsame Bewegungen von Insekten wie einer bummelnden Hummel, also einer Hummel, welche von Blüte zu Blüte fliegt, ein Problem darstellen. Modernste Technik z. B. 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-Fotographie zu realisieren.
Folienkondensatoren sind prinzipiell durch zwei Elektroden und eine dünne 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 der gewickelten Form erreichten die Kondensatoren eine maximale Kapazität von bei einer Ladespannung von
Die Blitzdauer bzw. die Belichtungsdauer und somit die Zeit für eine Entladung des Kondensators auf
der Anfangsladung beträgt insgesamt
Die restliche Ladung steht zur Belichtung nicht zur Verfügung. Die Entladung erfolgt über einen Vorwiderstand. 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 7: Prinzipienschaltbild mit Lüttge-Blitzlichtkondensator

Abbildung 6: Prinzipienschaltbild
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Der Lüttge-Blitzlichtkondensator ist ein Folienkondensator. Er besteht aus zwei dünnen Metallfolien, die als Elektroden dienen. Zwischen den Metallfolien befindet sich eine dünne isolierende Papierfolie. Diese trennt die Elektroden voneinander und wirkt als Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätszahl von etwa
Die übereinanderliegenden Folien werden aufgewickelt. Dadurch entsteht ein kompakter Kondensator mit einer großen wirksamen Elektrodenfläche. Die Wicklung ist von einer metallischen Hülle umgeben und über elektrische Kontakte mit der Blitzröhre verbunden.
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.
Dielektrika sind Materialien mit wenigen frei beweglichen Ladungsträgern und leiten den elektrischen Strom daher nur sehr schwach. Werden die Dielektrika in ein äußeres elektrisches Feld gebracht, kommt es zur dielektrischen Polarisation, sodass elektrische Dipole durch Ladungsverschiebungen oder -orientierungen entstehen.
Diese Ladungen erzeugen ein inneres elektrisches Feld, das dem äußeren elektrischen Feld entgegengerichtet ist. Bei gleicher freier Ladung auf den Kondensatorplatten wird die resultierende elektrische Feldstärke daher verringert.
Die Coulombkraft zwischen zwei Ladungen ist innerhalb eines Dielektrikums kleiner als im Vakuum. Es gilt:
Da gilt, folgt:
Außerdem erhöht sich durch das Dielektrikum die Kapazität eines Plattenkondensators:
Bei gleicher gespeicherter Ladung ist deshalb eine geringere Spannung erforderlich:
Bei gleicher Spannung kann der Kondensator entsprechend eine größere Ladungsmenge speichern. Beide Effekte hängen zusammen: Durch die geringere Coulombkraft wird eine geringere Spannung benötigt, um die gleiche Ladung auf einem Kondensator zu halten.
Nach Material 6 dauert die Entladung bis auf der Anfangsladung:
Für die Entladestromstärke eines Kondensators gilt:
Da gilt, beträgt die Entladestromstärke nach der Blitzdauer ebenfalls
der Anfangsstromstärke. Somit gilt:
Einsetzen in die Entladegleichung und Umformen nach ergibt:
Der Widerstand der Schaltung beträgt somit etwa
Graphische Darstellung der Entladestromstärke

Ermitteln der Halbwertszeit
Aus dem Graphen kann eine Halbwertszeit von etwa abgelesen werden.
Graphische Ermittlung der abgegebenen Ladung
Die während der Blitzdauer abgegebene Ladungsmenge entspricht der Fläche unter der Entladekurve. Ein Kästchen entspricht dabei folgender Ladungsmenge:
Unter der Entladekurve bis zum Ende der Blitzdauer bei etwa befinden sich näherungsweise
Kästchen. Damit ergibt sich für die während des Blitzes abgegebene Ladung:
Nach Material 6 verbleiben am Ende der Blitzdauer noch der Anfangsladung im Kondensator. Die abgegebenen
entsprechen daher
der gesamten Anfangsladung.
Somit gilt:
Vergleich mit Material 6
Aus den Angaben und
ergibt sich:
Die graphisch ermittelte Ladung stimmt somit mit der aus den Angaben in Material 6 berechneten Ladung überein.
Das Prinzipienschaltbild in Material 7 enthält bereits eine Abschaltvorrichtung. Diese beendet die Entladung laut Material 6 jedoch erst bei einem festgelegten Wert von der Anfangsladung. Für variable Belichtungszeiten muss entweder die Entladedauer oder der Abschaltzeitpunkt veränderbar sein.
Die Geschwindigkeit der Entladung wird durch die Zeitkonstante bestimmt:
-
Der feste Vorwiderstand könnte durch einen regelbaren Widerstand ersetzt werden. Ein größerer Widerstand
führt zu einer größeren Zeitkonstante und damit zu einer längeren Belichtungszeit. Ein kleinerer Widerstand verkürzt die Belichtungszeit.
-
Alternativ könnte die Kapazität
des Kondensators variiert werden. Eine größere Kapazität
verlängert die Entladung, während eine kleinere Kapazität zu einer kürzeren Belichtungszeit führt.
-
Es könnte auch die Grenzstromstärke
variiert werden. Je größer die Grenzstromstärke, desto kürzer ist die Belichtungszeit.
Physikalisch-technische Aspekte
Für den Lüttge-Blitzlichtkondensator und das moderne Blitzlichtgerät gelten:
Damit ergibt sich für das Verhältnis der Betriebsspannungen:
Die Betriebsspannung des Lüttge-Blitzlichtkondensators ist somit ungefähr neunmal so groß wie die des modernen Geräts. Die höhere Spannung erhöht die Gefahr elektrischer Überschläge, von Kurzschlüssen und gefährlichen Körperströmen.
Die in einem geladenen Kondensator gespeicherte elektrische Energie berechnet sich mit:
Für beide Geräte folgt:
Damit ergibt sich:
Im Lüttge-Blitzlichtkondensator ist ungefähr dreimal so viel elektrische Energie gespeichert wie im modernen Blitzlichtgerät. Bei einer Beschädigung oder unbeabsichtigten Entladung können daher größere Schäden angerichtet werden.
Der Lüttge-Blitzlichtkondensator wird außerdem mit Stromstärken von einigen entladen, wodurch sich Kontakte stark erwärmen können. Ein quantitativer Vergleich mit dem modernen Gerät ist nicht möglich, da dessen Entladestromstärke nicht angegeben ist.
Äußere Bedingungen bei der Naturfotografie
Bei hoher Luftfeuchtigkeit steigt insbesondere die Leitfähigkeit feuchter Oberflächen. Dadurch nehmen bei der hohen Betriebsspannung des Lüttge-Blitzlichtkondensators die Risiken von Kriechströmen, Überschlägen und Kurzschlüssen zu.
In einer sehr trockenen Umgebung können stark erwärmte Kontakte trockenes Pflanzenmaterial entzünden. Zusätzlich können Regen, Verschmutzungen oder unerwartete Ereignisse die Aufmerksamkeit der fotografierenden Person beeinträchtigen. Die sichere Bedienung eines Geräts mit hoher Spannung und hoher Entladestromstärke wird dadurch erschwert.
Bewertung
Gegen ein Verkaufsverbot spricht, dass vorhandene und noch funktionsfähige Geräte durch fehlende Ersatzteile entwertet werden. Außerdem könnten nicht zugelassene Eigenkonstruktionen entstehen, die das Gefahrenrisiko zusätzlich erhöhen.
Trotz dieser Nachteile ist das Verkaufsverbot angemessen. Der Lüttge-Blitzlichtkondensator arbeitet mit einer ungefähr neunmal höheren Spannung, speichert etwa dreimal so viel Energie und erzeugt sehr hohe Entladestromstärken. Besonders unter den schwer kontrollierbaren Bedingungen der Naturfotografie entstehen dadurch erhebliche Sicherheitsrisiken. Da moderne, funktionstüchtige und deutlich sicherere Alternativen verfügbar sind, überwiegt der Schutz vor Unfällen.