משפט ההרכבה – סופרפוזיציה
בפרקים הקודמים פתרנו מעגלים שיש בהם יותר ממקור מתח אחד בעזרת חוקי קירכהוף, זרמי החוגים ומתחי הצמתים. השיטות האלה דורשות פתרון של מערכת משוואות. משפט ההרכבה מציע דרך אחרת: מחלקים את המעגל הקשה למעגלים פשוטים, שבכל אחד מהם מקור אחד בלבד, פותרים כל מעגל בעזרת חוק אום וכללי החיבור בטור ובמקביל, ולבסוף מחברים את התוצאות.
- שבמעגל ליניארי, הזרם בכל ענף הוא סכום אלגברי של הזרמים שגורם כל מקור כשהוא פועל לבדו.
- לאפס מקור מתח: מציבים קצר במקומו, ומשאירים את ההתנגדות הפנימית שלו במקומה.
- לסרטט את המעגל המקורי ואת שני המעגלים החלקיים, ולקבוע את כיוונו של כל זרם חלקי.
- לחשב את הזרם בכל ענף ואת המתח על כל רכיב, תוך הקפדה על הסימנים ועל הכיוונים.
- שאין לחשב הספק בעזרת ההרכבה, ושמחשבים אותו רק מן הזרם הסופי.
פתרון מעגלים הכוללים 2 מקורות מתח לכל היותר (Circuits with Two Sources)
רעיון המשפט:
במעגל שיש בו שני מקורות מתח, כל מקור "דוחף" זרם בכל אחד מענפי המעגל. הזרם האמיתי בענף הוא תוצאה של השפעת שני המקורות יחד. משפט ההרכבה אומר שאפשר לבדוק את ההשפעה של כל מקור בנפרד, ואחר כך לחבר את שתי ההשפעות.
איפוס מקור מתח:
איפוס המקור פירושו שהופכים את המתח שלו לאפס. רכיב שהמתח בין הדקיו הוא אפס, יהיה הזרם העובר בו אשר יהיה, הוא תיל מוליך. לכן:
- מקור מתח אידיאלי: מוציאים אותו מן המעגל ומציבים במקומו קצר, כלומר תיל המחבר בין שתי הנקודות שאליהן היה מחובר.
- מקור מתח בעל התנגדות פנימית r: מציבים קצר במקום הכא"מ E בלבד, וההתנגדות הפנימית r נשארת במקומה.
שלבי הפתרון:
- מסרטטים את המעגל המקורי, בוחרים לכל ענף כיוון ייחוס לזרם, ומסמנים את הזרמים I1, I2, I3.
- מסרטטים את המעגל החלקי הראשון: נשאר בו המקור E1, ובמקום E2 בא קצר. מחשבים את הזרמים החלקיים I′1, I′2, I′3 ומסרטטים את כיוונם האמיתי.
- מסרטטים את המעגל החלקי השני: נשאר בו המקור E2, ובמקום E1 בא קצר. מחשבים את I″1, I″2, I″3 ומסרטטים את כיוונם האמיתי.
- מחברים חיבור אלגברי: זרם חלקי שכיוונו עם כיוון הייחוס מקבל סימן חיובי, וזרם חלקי שכיוונו נגד כיוון הייחוס מקבל סימן שלילי.
- אם התוצאה הסופית שלילית, הכיוון האמיתי של הזרם הפוך לכיוון הייחוס שבחרנו.
נבחר את כיוון הייחוס של הזרם I עם כיוון השעון, כמו בסרטוט.
שלב ראשון – המקור E1 לבדו. נציב קצר במקום E2. שני הנגדים מחוברים בטור, והמקור E1 דוחף את הזרם עם כיוון השעון:
שלב שני – המקור E2 לבדו. נציב קצר במקום E1. המקור E2 דוחף את הזרם מן ההדק החיובי שלו, כלומר נגד כיוון השעון:
שלב שלישי – החיבור האלגברי. הזרם I′ הוא עם כיוון הייחוס (חיובי), והזרם I″ נגדו (שלילי):
התוצאה חיובית, ולכן הזרם זורם עם כיוון השעון. נבדוק בעזרת חוק המתחים של קירכהוף עם כיוון השעון, E1 − I·R1 − E2 − I·R2 = 0, ומכאן: I = E1 − E2R1 + R2 = 1510 = 1.5 A.
כיוון הייחוס של הזרם I3 הוא מן הצומת A אל הצומת B (כלפי מטה).
נסרטט את שני המעגלים החלקיים, ובכל אחד מהם נסרטט את הכיוון האמיתי של כל זרם חלקי:
שלב ראשון – המקור E1 לבדו. אחרי הצבת קצר במקום E2, הנגדים R2 ו-R3 מחוברים במקביל, ושניהם יחד מחוברים בטור עם R1:
הזרם I′1 מתפצל בצומת A בין R2 ל-R3. לפי מחלק הזרם:
שלב שני – המקור E2 לבדו. אחרי הצבת קצר במקום E1, הנגדים R1 ו-R3 מחוברים במקביל, ושניהם יחד מחוברים בטור עם R2:
שלב שלישי – החיבור האלגברי. בשני המעגלים החלקיים הזרם ב-R3 זורם מ-A אל B, כלומר עם כיוון הייחוס, ולכן מחברים:
א. את הזרם I′3 שגורם המקור E1 לבדו בנגד R3.
ב. את הזרם I″3 שגורם המקור E2 לבדו.
ג. את הזרם I3.
חישוב מתחים על רכיבי המעגל (Voltages by Superposition)
משפט ההרכבה נכון גם למתחים: המתח על כל רכיב הוא הסכום האלגברי של המתחים החלקיים שגורם כל מקור לבדו. יש לפנינו שתי דרכים להגיע אל המתח על נגד:
- הדרך הראשונה: מחשבים תחילה את הזרם הסופי בנגד בעזרת ההרכבה, ואחר כך מחשבים את המתח לפי חוק אום U = I·R.
- הדרך השנייה: מחשבים בכל מעגל חלקי את המתח החלקי על הנגד (בחוק אום או במחלק מתח), ואחר כך מחברים את המתחים החלקיים חיבור אלגברי.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| U | המתח הסופי על הרכיב | [V] |
| U′ | המתח על הרכיב כשהמקור E1 פועל לבדו | [V] |
| U″ | המתח על הרכיב כשהמקור E2 פועל לבדו | [V] |
כלל הסימן למתחים: את קוטביות המתח על נגד קובע כיוון הזרם בו: ההדק שדרכו הזרם נכנס הוא ההדק החיובי. אם הקוטביות של שני המתחים החלקיים זהה מחברים אותם, ואם היא מנוגדת מחסרים אותם, והקוטביות הסופית היא לפי המתח הגדול יותר.
נסרטט את שני המעגלים החלקיים, ובכל אחד מהם נסרטט את הכיוון האמיתי של כל זרם חלקי:
שלב ראשון – המקור E1 לבדו. הנגדים R2 ו-R3 מחוברים במקביל, ולכן המתח עליהם שווה. נחשב אותו לפי מחלק המתח:
שלב שני – המקור E2 לבדו. הנגדים R1 ו-R3 מחוברים במקביל. ההדק החיובי של E2 נמצא למטה, ולכן הזרם יוצא ממנו אל התיל התחתון, עולה ב-R3 וב-R1, וחוזר דרך R2 משמאל לימין:
שלב שלישי – החיבור האלגברי. נשווה את כיוון הזרם בכל נגד בשני המעגלים החלקיים:
| הנגד | המקור E1 לבדו | המקור E2 לבדו | התוצאה |
|---|---|---|---|
| R1 | U′1 = 24 V, הזרם ימינה | U″1 = 6 V, הזרם ימינה | אותה קוטביות: מחברים |
| R2 | U′2 = 12 V, הזרם ימינה | U″2 = 6 V, הזרם ימינה | אותה קוטביות: מחברים |
| R3 | U′3 = 12 V, הזרם כלפי מטה | U″3 = 6 V, הזרם כלפי מעלה | קוטביות מנוגדת: מחסרים |
הקוטביות: ב-R1 וב-R2 ההדק השמאלי הוא החיובי. ב-R3 המתח U′3 הוא הגדול יותר, ולכן ההדק העליון (הצומת A) הוא החיובי, כלומר UAB = 6 V.
בדיקה לפי חוק המתחים של קירכהוף. נתקדם בכל חוג עם כיוון השעון. בחוג השמאלי: E1 − U1 − U3 = 0, כלומר 36 − 30 − 6 = 0. בחוג הימני: U3 − U2 + E2 = 0, כלומר 6 − 18 + 12 = 0. שתי המשוואות מתקיימות.
א. את המתח החלקי U′3 על הנגד R3 כשהמקור E1 פועל לבדו.
ב. את המתח החלקי U″3 כשהמקור E2 פועל לבדו.
ג. את המתח UAB.
חישוב זרמים במעגל (Branch Currents by Superposition)
כשרוצים את כל זרמי הענפים, מחשבים בכל מעגל חלקי את שלושת הזרמים ורושמים את הכיוון של כל אחד מהם. נוח לסדר את התוצאות בטבלת סימנים, ולחבר בכל שורה.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| I | הזרם הסופי בענף, לפי כיוון הייחוס | [A] |
| I′ | הזרם החלקי בענף כשהמקור E1 פועל לבדו | [A] |
| I″ | הזרם החלקי בענף כשהמקור E2 פועל לבדו | [A] |
הסימן + ניתן לזרם חלקי שכיוונו עם כיוון הייחוס של הענף, והסימן − לזרם חלקי שכיוונו נגדו.
נסרטט את שני המעגלים החלקיים, ובכל אחד מהם נסרטט את הכיוון האמיתי של כל זרם חלקי:
שלב ראשון – המקור E1 לבדו. R2 ו-R3 מחוברים במקביל, ושניהם בטור עם R1:
שלב שני – המקור E2 לבדו. R1 ו-R3 מחוברים במקביל, ושניהם בטור עם R2. הזרם יוצא מן ההדק החיובי של המקור E2 כלפי מעלה:
שלב שלישי – טבלת הסימנים והחיבור. נשווה את הכיוון של כל זרם חלקי לכיוון הייחוס במעגל המקורי:
| הענף | כיוון הייחוס | המקור E1 לבדו | המקור E2 לבדו | הסכום האלגברי |
|---|---|---|---|---|
| I1 | ימינה | +4.5 A (ימינה) | −0.5 A (שמאלה) | I1 = 4 A |
| I2 | למעלה | −3 A (למטה) | +1 A (למעלה) | I2 = −2 A |
| I3 | למטה | +1.5 A (למטה) | +0.5 A (למטה) | I3 = 2 A |
הזרם I2 שלילי. פירוש הדבר שעוצמת הזרם האמיתי בענף האמצעי היא 2 A וכיוונו כלפי מטה, הפוך לכיוון הייחוס: הזרם נכנס אל ההדק החיובי של המקור E2, כלומר המקור הזה קולט אנרגיה (כמו מצבר בזמן טעינה).
בדיקה לפי חוק הזרמים של קירכהוף בצומת A: I1 + I2 = I3, כלומר 4 + (−2) = 2. המשוואה מתקיימת.
אין הרכבה להספקים:
משפט ההרכבה נכון לזרם ולמתח בלבד, מפני שהם נמצאים ביחס ישר למתח המקור. ההספק תלוי בריבוע הזרם, P = I2·R, וריבוע של סכום אינו שווה לסכום הריבועים. לכן לעולם אין מחברים הספקים חלקיים.
את ההספק האמיתי מחשבים מן הזרם הסופי:
שני ההספקים החלקיים:
הסכום 30 W אינו שווה להספק האמיתי 48 W. לכן מוצאים תחילה את הזרם הסופי בעזרת ההרכבה, ורק אחר כך מחשבים את ההספק.
מתי נבחר בשיטת ההרכבה:
- כשיש במעגל שני מקורות, וכל מעגל חלקי הוא חיבור מעורב פשוט שפותרים בלי משוואות.
- כשרוצים לדעת כמה תורם כל מקור לזרם מסוים, או מה קורה אם משנים את המתח של אחד המקורות בלבד.
- כשמספר המקורות גדל השיטה מתארכת, מפני שפותרים מעגל חלקי לכל מקור. במקרה כזה נעדיף את זרמי החוגים או את מתחי הצמתים.
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| איפוס מקור מתח | E = 0 → short |
| הרכבת זרמים | I = I′ ± I″ |
| הרכבת מתחים | U = U′ ± U″ |
| שני נגדים במקביל | R23 = R2·R3R2 + R3 |
| מחלק זרם | I3 = IT·R2R2 + R3 |
| הספק (מן הזרם הסופי בלבד) | P = I2·R |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| משפט ההרכבה – סופרפוזיציה | Superposition theorem | نظرية التراكب |
| מעגל ליניארי | Linear circuit | دائرة خطية |
| איפוס מקור | Source deactivation | إلغاء المصدر |
| קצר | Short circuit | دائرة قصر |
| מעגל חלקי | Partial circuit | دائرة جزئية |
| זרם חלקי | Partial current | تيار جزئي |
| סכום אלגברי | Algebraic sum | المجموع الجبري |
| כיוון ייחוס | Reference direction | الاتجاه المرجعي |
| קוטביות | Polarity | القطبية |
| התנגדות פנימית | Internal resistance | المقاومة الداخلية |
| מחלק מתח | Voltage divider | مُجزِّء الجهد |
| מחלק זרם | Current divider | مُجزِّء التيار |
| הספק | Power | القدرة |
שאלות לתרגול:
א. מה מציבים במקום מקור מתח אידיאלי כשמאפסים אותו?
ב. מה עושים בהתנגדות הפנימית של המקור המאופס?
ג. מדוע אסור לחבר הספקים חלקיים?
א. את הזרם I′ שגורם E1 לבדו.
ב. את הזרם I″ שגורם E2 לבדו.
ג. את הזרם I במעגל.
א. את הזרם I ואת כיוונו.
ב. את המתח על כל נגד.
א. את I′3.
ב. את I″3.
ג. את הזרם I3 ואת המתח UAB.
א. נחשב את הזרמים I1, I2, I3.
ב. האם המקור E2 מספק אנרגיה או קולט אנרגיה?
א. נחשב את הזרם I3 בעזרת משפט ההרכבה.
ב. נחשב את ההספק שצורך R3.
ג. נחשב את סכום שני ההספקים החלקיים ב-R3 ונשווה.
א. נחשב את I′3 ואת I″3. מה אנחנו רואים?
ב. נחשב את I3, I1, I2.
א. נחשב בעזרת משפט ההרכבה את זרם העומס.
ב. נחשב את מתח העומס.
ג. נחשב את הזרם שמספק כל מצבר.
א. נחשב את I′3, את I″3 ואת הזרם I3.
ב. הזרם שגורם מקור נמצא ביחס ישר למתח שלו. לאיזה ערך צריך לשנות את E2 כדי שיתקבל I3 = 0?
א. מהי עוצמת הזרם בענף ומה כיוונו?
ב. מהו ההספק שצורכת התנגדות הענף?
שאלות בגרות לפרק 11
| סעיף | הנדרש | תשובה סופית |
|---|---|---|
| סעיף א | המתח על R₂ | UR2 = 10 V |
| סעיף ב | הזרם דרך R₁ וכיוונו | I₁ = 2 A |
| סעיף ג | ההספק המתפתח בנגד R₄ | PR4 = 1.5 W |
| סעיף | הנדרש | תשובה סופית |
|---|---|---|
| סעיף א | הזרם דרך R₂ כאשר המפסק S פתוח | I = I₂ = 2.4 A |
| סעיף ב | הפרש הפוטנציאלים בין A ל-B (המפסק פתוח) | UAB = 72 V |
| סעיף ג | משוואות זרמי החוגים כאשר המפסק S סגור | בפתרון המלא |
| סעיף ד | חישוב הזרמים במעגל (המפסק סגור) | בפתרון המלא |
| סעיף | הנדרש | תשובה סופית |
|---|---|---|
| סעיף א | המתח על הנגד R₃ | בפתרון המלא |
| סעיף ב | ההתנגדות של הנגד R₂ | R₂ = 2 Ω |
| סעיף ג1 | קריאת וולטמטר בין הנקודות A ו-D | UAD = 4.1 V |
| סעיף ג2 | שינוי R₁ ל-10 אוהם | בפתרון המלא |