הצעה לפתרון מלא — מערכות חשמל
בגרות · מועד 2024 · שאלון 845381 · שאלות 1–12
✦ בנוי על ידי פהד גאנם ✦
💡
על המסמך: הצעה לפתרון מלא לשאלון 845381 — מערכות חשמל, מועד 2024. בשאלון שתים עשרה שאלות ועל הנבחן לענות על חמש בלבד. שאלות 1–8 לכלל הנבחנים, 9–10 לתלמידי הנדסת חשמל, 11–12 לתלמידי בקרת אקלים.
שאלה 1 — מעגל טורי בזרם ישר
נתונים: E = 60V · R₁ = 15 Ω · R₂ = 14 Ω · R₃ = 12 Ω · R₄ = 9 Ω
סעיף א — ההתנגדות השקולה של המעגל

כל ארבעת הנגדים מחוברים בטור, ולכן ההתנגדות השקולה היא סכום ההתנגדויות. במעגל טורי זורם אותו זרם דרך כל הרכיבים, וההתנגדויות מצטברות:

RT = R₁ + R₂ + R₃ + R₄ = 15 + 14 + 12 + 9 = 50  Ω
RT = 50  Ω
סעיף ב — הזרם הזורם במעגל

לפי חוק אוהם עבור המעגל כולו, זהו הזרם היחיד הזורם דרך כל רכיבי המעגל הטורי:

I = ERT = 6050 = 1.2 A
I = 1.2 A
סעיף ג — המתח בין הנקודות A ו-B

בין הנקודה A לנקודה B מחוברים בטור הנגדים R₂ ו-R₃, ולכן המתח הוא מכפלת הזרם בסכום ההתנגדויות:

UAB = I · (R₂ + R₃) = 1.2 × (14 + 12) = 1.2 × 26 = 31.2 V

נוודא את התוצאה דרך המסלול הנגדי, הכולל את R₁ ו-R₄:

UAB = E - I · (R₁ + R₄) = 60 - 1.2 × 24 = 31.2 V ✓
UAB = 31.2 V
סעיף ד — ההספק המתפתח על הנגד R₃

ההספק על נגד שווה לריבוע הזרם הזורם דרכו כפול התנגדותו:

P₃ = I2 · R₃ = 1.22 × 12 = 1.44 × 12 = 17.28 W
P₃ = 17.28 W
שאלה 2 — מעגל מקבילי בזרם ישר עם מד-זרם אידיאלי
נתונים: R₁ = 50 Ω · I₁ = 4.4A · R₂ = 40 Ω · P₃ = 440W · חיבור מקבילי
💡
מבנה המעגל: שלושה נגדים מחוברים במקביל אל המקור E, ומד-זרם אידיאלי מודד את הזרם הכללי היוצא מהמקור. המתח על כל ענף שווה למתח המקור.
סעיף א — מתח המקור E

במעגל מקבילי המתח על כל ענף שווה למתח המקור. לפי חוק אוהם על הענף הראשון:

E = I₁ · R₁ = 4.4 × 50 = 220 V
E = 220 V
סעיף ב — הזרמים I₂ ו-I₃

הזרם בענף השני לפי חוק אוהם:

I₂ = ER₂ = 22040 = 5.5 A

הזרם בענף השלישי מתקבל מההספק הנתון על R₃, שכן ההספק על ענף שווה למכפלת המתח בזרם:

I₃ = P₃E = 440220 = 2 A
I₂ = 5.5 A ; I₃ = 2 A
סעיף ג — ההתנגדות של הנגד R₃
R₃ = EI₃ = 2202 = 110  Ω

נוודא את התוצאה מתוך ההספק והמתח:

R₃ = E2P₃ = 48400440 = 110  Ω ✓
R₃ = 110  Ω
סעיף ד — קריאת מד-הזרם

מד-הזרם מחובר בטור למקור ומודד את הזרם הכללי היוצא ממנו, שהוא סכום זרמי הענפים לפי חוק הזרמים של קירכהוף:

I = I₁ + I₂ + I₃ = 4.4 + 5.5 + 2 = 11.9 A
I = 11.9 A
שאלה 3 — מעגל מעורב טורי-מקבילי בזרם ישר
נתונים: E = 12V · R₁ = 20 Ω · R₂ = 40 Ω · R₃ = 20 Ω · R₄ = 30 Ω · R₅ = 60 Ω
💡
מבנה המעגל: R₁ מחובר בטור למקור; אחריו R₂ במקביל; בהמשך R₃ בטור, ובקצהו R₄ במקביל ל-R₅.
סעיף א — ההתנגדות השקולה של המעגל

נצמצם את המעגל שלב אחר שלב. תחילה החיבור המקבילי של R₄ ו-R₅:

R₄₅ = R₄ · R₅R₄ + R₅ = 30 × 6090 = 20  Ω

R₃ בטור עם הצירוף:

R₃₄₅ = R₃ + R₄₅ = 20 + 20 = 40  Ω

חיבור מקבילי עם R₂:

R₂₃₄₅ = 40 × 4040 + 40 = 20  Ω

לבסוף R₁ בטור:

RT = R₁ + R₂₃₄₅ = 20 + 20 = 40  Ω
RT = 40  Ω
סעיף ב — מפלי המתח על הנגדים R₁ ו-R₃

הזרם הכללי מן המקור:

I = ERT = 1240 = 0.3 A

מפל המתח על R₁:

UR₁ = I · R₁ = 0.3 × 20 = 6 V

המתח על הצומת שאחרי R₁ (על R₂):

U₂ = E - UR₁ = 12 - 6 = 6 V

הזרם בענף של R₃ מפצל את הצומת אל הצירוף R₄∥R₅, ומפל המתח על R₃ הוא:

I₃ = U₂R₃₄₅ = 640 = 0.15 A
UR₃ = I₃ · R₃ = 0.15 × 20 = 3 V
UR₁ = 6 V ; UR₃ = 3 V
סעיף ג — ההספק המתפתח על הנגד R₅

המתח על הצירוף המקבילי R₄∥R₅ שווה למתח הצומת פחות המתח על R₃, וההספק שווה לריבוע המתח חלקי ההתנגדות:

U₄₅ = U₂ - UR₃ = 6 - 3 = 3 V
P₅ = U₄₅2R₅ = 3260 = 960 = 0.15 W
P₅ = 0.15 W
שאלה 4 — מעגל עם שני מקורות מתח, שיטת מתחי הצמתים
נתונים: E₁ = 15V · R₁ = 10 Ω · R₂ = 8 Ω · E₂ = 18V · R₃ = 5 Ω

שלושת הענפים מחוברים בין הצומת העליון לצומת התחתון. נסמן ב-V את מתח הצומת העליון ביחס לצומת התחתון (הייחוס) ונפתור בשיטת מתח הצומת.

סעיף א — הזרם דרך כל אחד מן הנגדים

לפי חוק הזרמים של קירכהוף, סכום הזרמים הנכנסים לצומת שווה לזרם היוצא ממנו:

E₁ - VR₁ + E₂ - VR₃ = VR₂
15 - V10 + 18 - V5 = V8

נכפול את שני האגפים במכנה המשותף 40:

4(15 - V) + 8(18 - V) = 5V
60 - 4V + 144 - 8V = 5V
204 = 17V  →  V = 12 V

נחשב את הזרמים בשלושת הענפים:

I₁ = E₁ - VR₁ = 15 - 1210 = 0.3 A
I₂ = VR₂ = 128 = 1.5 A
I₃ = E₂ - VR₃ = 18 - 125 = 1.2 A

בדיקה בצומת: הסכום I₁ + I₃ שווה ל-I₂:

I₁ + I₃ = 0.3 + 1.2 = 1.5 A = I₂ ✓
I₁ = 0.3 A ; I₂ = 1.5 A ; I₃ = 1.2 A
סעיף ב — המתח על הנגד R₃

מפל המתח על R₃ הוא ההפרש בין מתח המקור E₂ למתח הצומת:

UR₃ = I₃ · R₃ = 1.2 × 5 = 6 V
UR₃ = E₂ - V = 18 - 12 = 6 V ✓
UR₃ = 6 V
סעיף ג — ההספק שמספק מקור המתח E₁

ההספק שמקור מספק שווה למכפלת המתח האלקטרו-מניע שלו בזרם הזורם דרכו:

P(E₁) = E₁ · I₁ = 15 × 0.3 = 4.5 W
P(E₁) = 4.5 W
שאלה 5 — מעגל RLC טורי בזרם חילופין
נתונים: U = 50V · f = 50Hz · R = 40 Ω · XL = 180 Ω · XC = 150 Ω
סעיף א — עכבת המעגל

במעגל טורי ההיגבים ההשראותי והקיבולי מנוגדים זה לזה, ולכן מחסרים אותם לפני החיבור הווקטורי עם ההתנגדות:

Z = √R2 + (XL - XC)2 = √402 + (180 - 150)2 = √1600 + 900 = √2500 = 50  Ω
Z = 50  Ω
סעיף ב — קריאת מד-הזרם

מד-הזרם מודד את הערך האפקטיבי של הזרם במעגל הטורי:

I = UZ = 5050 = 1 A
I = 1 A
סעיף ג — מפלי המתח על רכיבי המעגל
UR = I · R = 1 × 40 = 40 V
UL = I · XL = 1 × 180 = 180 V
UC = I · XC = 1 × 150 = 150 V

הסכום האלגברי של המתחים גדול ממתח המקור, אך הסכום הווקטורי מתלכד עם מתח המקור:

U = √UR2 + (UL - UC)2 = √402 + 302 = 50 V ✓
UR = 40 V ; UL = 180 V ; UC = 150 V
סעיף ד(1) — ההספק הפעיל, ההספק העיוור וההספק המדומה
P = I2 · R = 12 × 40 = 40 W
Q = I2 · (XL - XC) = 12 × 30 = 30 var
S = U · I = 50 × 1 = 50 VA

בדיקה לפי משולש ההספקים:

S = √P2 + Q2 = √1600 + 900 = 50 VA ✓
P = 40 W ; Q = 30 var ; S = 50 VA
סעיף ד(2) — משולש ההספקים

משולש ההספקים הוא משולש ישר-זווית: הניצב האופקי מייצג את ההספק הפעיל, הניצב האנכי כלפי מעלה (מפני שהמעגל השראותי) מייצג את ההספק העיוור, והיתר מייצג את ההספק המדומה. זווית המופע בין P ל-S:

cos φ = PS = 4050 = 0.8  →  φ ≈ 36.87°
cos φ = 0.8 ; φ ≈ 36.87°
שאלה 6 — מעגל RLC מקבילי בזרם חילופין
נתונים: u(t) = √2 × 230 × sin(ω t) V · R = 10 Ω · XL = 20 Ω · XC = 40 Ω
סעיף א — קריאת מד-המתח

מד-מתח אידיאלי מודד את הערך האפקטיבי של המתח. מן הביטוי הרגעי המשרעת היא √2·230, ולכן הערך האפקטיבי:

U = Uₘₐₓ2 = 2 × 2302 = 230 V
U = 230 V
סעיף ב — הזרמים בענפי המעגל

במעגל מקבילי המתח על כל ענף הוא מתח המקור:

IR = UR = 23010 = 23 A
IL = UXL = 23020 = 11.5 A
IC = UXC = 23040 = 5.75 A
IR = 23 A ; IL = 11.5 A ; IC = 5.75 A
סעיף ג — הזרם השקול במעגל (קריאת מד-הזרם)

הזרם בנגד נמצא במופע עם המתח, הזרם במשרן מפגר ב-90° והזרם בקבל מקדים ב-90°, ולכן מחברים אותם וקטורית:

I = √IR2 + (IL - IC)2 = √232 + (11.5 - 5.75)2 = √529 + 33.0625 = √562.0625 ≈ 23.71 A
I ≈ 23.71 A
סעיף ד — עכבת המעגל

העכבה השקולה של המעגל המקבילי מתקבלת מיחס המתח האפקטיבי לזרם הכללי האפקטיבי:

Z = UI = 23023.71 ≈ 9.7  Ω
Z ≈ 9.7  Ω
שאלה 7 — מעגל RLC מקבילי בזרם חילופין עם מדי-זרם
נתונים: f = 50Hz · C = 2.72µF · I = 1.3A · IL = 0.9A · IC = 0.4A · חיבור מקבילי
סעיף א — מתח המקור U

תחילה נחשב את ההיגב הקיבולי:

XC = 12π f C = 12π × 50 × 2.72 × 10-6 = 18.545 × 10-4 ≈ 1170.26  Ω

מתח המקור שווה למתח על הקבל, שכן החיבור מקבילי:

U = IC · XC = 0.4 × 1170.26 ≈ 468.1 V
U ≈ 468.1 V
סעיף ב — השראות המשרן L
XL = UIL = 468.10.9 ≈ 520.11  Ω
L = XL2π f = 520.11314.16 ≈ 1.66 H
L ≈ 1.66 H
סעיף ג — הזרם דרך הנגד R

הזרם הכללי הוא הסכום הווקטורי של זרמי הענפים. הזרם בנגד ניצב להפרש הזרמים ההיגביים:

IR = √I2 - (IL - IC)2 = √1.32 - 0.52 = √1.69 - 0.25 = √1.44 = 1.2 A
IR = 1.2 A
סעיף ד — עכבת המעגל
Z = UI = 468.11.3 ≈ 360.1  Ω
Z ≈ 360.1  Ω
שאלה 8 — רשת תלת-מופעית, עומס סימטרי בחיבור משולש
נתונים: U(קווי) = 400V · f = 50Hz · Z = 40 Ω ∠ 30° · חיבור משולש
סעיף א — הזרם המופעי והזרם הקווי

בחיבור משולש המתח על כל עכבה הוא המתח הקווי. הזרם המופעי:

I(מופעי) = U(מופעי)Z = 40040 = 10 A

בצורה פאזורית, הזרמים בשלוש העכבות:

IAB = 400 ∠ 0°40 ∠ 30° = 10 ∠ -30° A
IBC = 400 ∠ -120°40 ∠ 30° = 10 ∠ -150° A
ICA = 400 ∠ 120°40 ∠ 30° = 10 ∠ 90° A

הזרם הקווי בעומס משולש סימטרי גדול פי שורש שלוש מהזרם המופעי:

I(קווי) = √3 · I(מופעי) = 1.732 × 10 ≈ 17.32 A
I(מופעי) = 10 A ; I(קווי) ≈ 17.32 A
סעיף ב — ההספק הפעיל, העיוור והמדומה של הרשת

זווית העומס היא 30°, ולכן מקדם ההספק:

cos φ = cos 30° ≈ 0.866  ;  sin φ = sin 30° = 0.5
S = 3 · U(מופעי) · I(מופעי) = 3 × 400 × 10 = 12000 VA = 12 kVA
P = S · cos φ = 12000 × 0.866 ≈ 10392 W ≈ 10.39 kW
Q = S · sin φ = 12000 × 0.5 = 6000 var = 6 kvar

בדיקה לפי ההספק המדומה בחיבור תלת-מופעי:

S = √3 · U(קווי) · I(קווי) = 1.732 × 400 × 17.32 ≈ 12000 VA ✓
P ≈ 10.39 kW ; Q = 6 kvar ; S = 12 kVA
סעיף ג — משולש ההספקים של הרשת

משולש ישר-זווית: הניצב האופקי מייצג את ההספק הפעיל P = 10392 W, הניצב האנכי כלפי מעלה (עומס השראותי) מייצג את ההספק העיוור Q = 6000 var, והיתר מייצג את ההספק המדומה S = 12000 VA. הזווית בין P ל-S היא φ = 30°.

φ = 30°
📘 שאלות 9–10 — לתלמידי הנדסת חשמל
שאלה 9 — מערכת שערים לוגיים
נתונים: הכניסות A ו-B מזינות שער OR ושער NAND, ומוצאיהם מזינים שער AND שבמוצאו הפונקציה F
💡
שימו לב: אף שבאיור המוצא מסומן F(A,B,C), במעגל מופיעים רק המשתנים A ו-B, ולכן הפונקציה תלויה בשני משתנים בלבד.
סעיף א — ביטוי עבור הפונקציה F

מוצא שער ה-OR הוא A+B, מוצא שער ה-NAND הוא המשלים של A·B, ושער ה-AND מכפיל אותם:

F = (A + B) · A · B
סעיף ב — פישוט הפונקציה למינימום משתנים

לפי חוק דה-מורגן, המשלים של המכפלה שווה לסכום המשלימים:

A · B = A + B
F = (A + B) · (A + B)

נפתח את הסוגריים:

F = A · A + A · B + B · A + B · B

מאחר שהמכפלה של משתנה במשלים שלו שווה לאפס:

F = A · B + A · B

זוהי פונקציית XOR (או מוציא) של A ו-B: הפונקציה שווה 1 כאשר הכניסות שונות זו מזו.

F = A · B + A · B
סעיף ג — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים

מימוש הביטוי נעשה באמצעות שני שערי NOT (האחד מייצר את המשלים של A והשני את המשלים של B), שני שערי AND דו-כניסיים (האחד מקבל את A ואת המשלים של B ומוציא A·B̄, והשני מקבל את המשלים של A ואת B ומוציא Ā·B), ושער OR דו-כניסי המחבר את מוצאי שני שערי ה-AND ומוציא את F. לחלופין אפשר לממש את הפונקציה בשער XOR יחיד דו-כניסי.

שאלה 10 — מימוש פונקציה באמצעות מערכת מתגים
נתונים: ארבעה ענפים מקביליים, בכל ענף שלושה מתגים בטור · F = A · B · C + A · B · C + A · B · C + A · B · C
💡
מבנה המערכת: ענף מוליך כאשר כל מתגיו סגורים, והפונקציה שווה 1 אם לפחות ענף אחד מוליך.
סעיף א — טבלת האמת של הפונקציה

הפונקציה שווה 1 בארבעה צירופים — בדיוק כאשר A שווה ל-C:

ABCF
0001
0010
0101
0110
1000
1011
1100
1111
סעיף ב — פישוט הפונקציה למינימום משתנים

נקבץ את האיברים לפי המשתנה B:

F = A · C · (B + B) + A · C · (B + B)

מאחר שסכום משתנה עם המשלים שלו שווה ל-1:

F = A · C + A · C

זוהי פונקציית XNOR (שוויון) של A ו-C: הפונקציה שווה 1 כאשר A ו-C שווים, ואינה תלויה כלל ב-B.

F = A · C + A · C
סעיף ג — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים

מימוש הביטוי נעשה באמצעות שני שערי NOT (האחד מייצר את המשלים של A והשני את המשלים של C), שני שערי AND דו-כניסיים (האחד מקבל את A ואת C, והשני את המשלים של A ואת המשלים של C), ושער OR דו-כניסי המחבר את מוצאי שני שערי ה-AND ומוציא את F. לחלופין אפשר לממש את הפונקציה בשער XNOR יחיד שכניסותיו A ו-C.

🌡️ שאלות 11–12 — לתלמידי בקרת אקלים
שאלה 11 — גז אידיאלי בתהליך איזותרמי
נתונים: n = 2.5 mol · V₁ = 3 m³ · T = 10°C · V₂ = 5 m³ · R = 8.314 J/(mol·K) · תהליך איזותרמי
סעיף א(1) — נפח הגז ביחידות של ליטרים

בכל מטר מעוקב יש 1000 ליטרים, ולכן:

V₁ = 3 m³ = 3 × 1000 = 3000 liter
V₂ = 5 m³ = 5 × 1000 = 5000 liter
V₁ = 3000 liter ; V₂ = 5000 liter
סעיף א(2) — הטמפרטורה של הגז ביחידות קלווין
T = T[°C] + 273 = 10 + 273 = 283 K
T = 283 K
סעיף ב — הגדרת המושג תהליך איזותרמי

תהליך איזותרמי הוא תהליך תרמודינמי שבו הטמפרטורה של הגז נשארת קבועה לכל אורך התהליך. לפי חוק הגז האידיאלי, כאשר הטמפרטורה קבועה מתקיים חוק בויל: מכפלת הלחץ בנפח נשארת קבועה, ולכן כשהגז מתפשט הלחץ שלו קטן באותו יחס.

סעיף ג — הלחץ בתחילת התהליך ובסופו

לפי משוואת המצב של גז אידיאלי, הלחץ בתחילת התהליך:

p₁ = n · R · TV₁ = 2.5 × 8.314 × 2833 = 5882.23 ≈ 1960.7 Pa ≈ 1.96 kPa

הלחץ בסוף התהליך:

p₂ = n · R · TV₂ = 2.5 × 8.314 × 2835 ≈ 1176.4 Pa ≈ 1.18 kPa

בדיקה לפי חוק בויל — מכפלת הלחץ בנפח נשמרת בתהליך איזותרמי:

p₁ · V₁ = 1960.7 × 3 ≈ 5882 J  ;  p₂ · V₂ = 1176.4 × 5 ≈ 5882 J ✓
p₁ ≈ 1.96 kPa ; p₂ ≈ 1.18 kPa
שאלה 12 — תהליך דו-שלבי של גז אידיאלי
נתונים: VA = 10 liter · PA = 50 kPa · VB = 6 liter (איזוברי A→B) · PC = 120 kPa (איזוכורי B→C)
סעיף א — הגדרת המושגים תהליך איזוכורי ותהליך איזוברי

תהליך איזוכורי — תהליך תרמודינמי שבו הנפח של הגז נשאר קבוע. מאחר שאין שינוי נפח, הגז אינו מבצע עבודה ואין עבודה שנעשית עליו, וכל החום המועבר משנה את האנרגייה הפנימית בלבד.

תהליך איזוברי — תהליך תרמודינמי שבו הלחץ של הגז נשאר קבוע. העבודה בתהליך כזה שווה למכפלת הלחץ בשינוי הנפח.

סעיף ב — סרטוט התהליך במישור לחץ-נפח

במישור שבו הציר האופקי הוא הנפח V והציר האנכי הוא הלחץ P: נקודה A בנפח 10 ליטרים ולחץ 50 קילו-פסקל. הקטע A→B הוא קו אופקי ישר שמאלה בלחץ קבוע של 50 קילו-פסקל, מנפח 10 ליטרים עד נפח 6 ליטרים (דחיסה איזוברית). נקודה B בנפח 6 ליטרים ולחץ 50 קילו-פסקל. הקטע B→C הוא קו אנכי ישר כלפי מעלה בנפח קבוע של 6 ליטרים, מלחץ 50 קילו-פסקל עד לחץ 120 קילו-פסקל (תהליך איזוכורי). נקודה C בנפח 6 ליטרים ולחץ 120 קילו-פסקל.

סעיף ג — העבודה הכוללת שנעשתה על-ידי הגז

בשלב הראשון (איזוברי) העבודה שווה למכפלת הלחץ בשינוי הנפח. נמיר ליחידות SI: הלחץ 50000 פסקל, והנפחים 0.010 ו-0.006 מטר מעוקב:

W₁ = p · Δ V = p · (VB - VA) = 50000 × (0.006 - 0.010) = 50000 × (-0.004) = -200 J

בשלב השני (איזוכורי) הנפח קבוע ולכן לא מתבצעת עבודה:

W₂ = 0 J

העבודה הכוללת שנעשתה על-ידי הגז:

W = W₁ + W₂ = -200 + 0 = -200 J
W = -200 J

הסימן השלילי מציין שהגז נדחס — כלומר הסביבה ביצעה על הגז עבודה של 200 ג'אול, והגז עצמו ביצע עבודה שלילית.

🏠