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Kondensator im Blitzgerät
AFB IIn einem Kamerablitz liefern zwei Batterien nur eine Spannung von \(3{,}0\,\mathrm V\). Ein elektronischer Wandler erhöht diese Spannung und lädt damit einen Kondensator auf \(U=330\,\mathrm V\) auf (Material M1). Beim Auslösen entlädt sich der Kondensator innerhalb von \(1{,}5\,\mathrm{ms}\) über die Blitzröhre. Die Kenndaten des Geräts sind in Material M2 zusammengestellt. Der Wandler soll als verlustfrei angenommen werden.
M1Schaltung des Blitzgeräts
Der Wandler lädt den Kondensator langsam aus den Batterien; beim Auslösen gibt der Kondensator seine Energie in einem kurzen Impuls an die Blitzröhre ab.
M2Kenndaten des Blitzgeräts
| Größe | Wert |
|---|---|
| Kapazität des Blitzkondensators | 1200 µF |
| Ladespannung | 330 V |
| Dauer des Blitzes | 1,5 ms |
| Ladezeit aus den Batterien | ca. 6,0 s |
| Batteriespannung | 2 × 1,5 V |
Die Ladezeit ist die Zeit, nach der der Kondensator wieder die volle Ladespannung erreicht hat.
- Geben Sie die drei gleichwertigen Formen der Formel für die in einem Kondensator gespeicherte Energie an und nennen Sie die darin auftretenden Größen mit ihren Einheiten.
- Berechnen Sie die im Kondensator gespeicherte Energie und die Ladung auf einer Platte bei voller Ladespannung.
- Berechnen Sie die mittlere Leistung während des Blitzes und die mittlere Leistung während des Ladens. Erläutern Sie anhand der beiden Werte, warum die Blitzröhre nicht direkt aus den Batterien betrieben wird.
Hinweis zu Aufgabe a)
Alle drei Formen entstehen aus \(W=\tfrac12\,Q\,U\), indem man \(Q=C\,U\) bzw. \(U=\frac{Q}{C}\) einsetzt. Zu jeder Größe gehört eine Einheit — auch zur Energie.Beim Operator „Geben Sie an“ genügen die Gleichungen samt Größen und Einheiten; eine Herleitung wird hier nicht verlangt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Gegeben sind \(C\) und \(U\) — wähle die Form der Energieformel, in der genau diese beiden Größen vorkommen. Achte auf den Vorsatz mikro: \(1\,\mu\mathrm F=10^{-6}\,\mathrm F\). Die Ladung folgt aus \(Q=C\cdot U\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Die mittlere Leistung ist \(P=\frac{W}{t}\). Beim Blitz wird die gesamte Energie aus b) in \(1{,}5\,\mathrm{ms}\) abgegeben, beim Laden wird dieselbe Energie in \(6{,}0\,\mathrm s\) zugeführt. Rechne beide Zeiten in Sekunden.„Erläutern“ heißt: Die beiden Zahlen müssen zueinander in Beziehung gesetzt und auf die Batterie bezogen werden — ein Vergleich der Größenordnungen mit Folgerung.