מספרים מרוכבים ופאזורים
בזרם ישר מספיק מספר אחד כדי לתאר כל גודל: המתח 12 V, ההתנגדות 100 Ω. בזרם חילופין לכל מתח ולכל זרם יש גודל ומופע, וכל רכיב במעגל גם מגביל את הזרם וגם מזיז את המופע שלו. שני נתונים דורשים שני מספרים, והמספר המרוכב נושא שני מספרים יחד. בפרק הזה נלמד לכתוב מספר מרוכב בשני ייצוגים, נבצע בו את ארבע פעולות החשבון, ואחר כך נייצג בעזרתו מתחים וזרמים סינוסואידליים.
- מספר מרוכב נכתב בייצוג קרטזי a + jb או בייצוג קוטבי r∠θ, והוא מיוצג בנקודה במישור המרוכב.
- נעבור מן הייצוג הקרטזי לקוטבי ולהפך, תוך תשומת לב לרביע שבו נמצא המספר.
- נחבר ונחסר מספרים מרוכבים בייצוג קרטזי, ונכפול ונחלק בייצוג קוטבי.
- נייצג אות סינוסואידלי בפאזור, ונכתוב את הפאזור כמספר מרוכב שגודלו הערך היעיל וזוויתו המופע.
- נחבר מתחים וזרמים סינוסואידליים בעלי אותה תדירות בעזרת מספרים מרוכבים.
ייצוג קרטזי וקוטבי של מספרים מרוכבים (Cartesian and Polar Forms)
היחידה המדומה:
אין מספר ממשי שהריבוע שלו שלילי. לכן מגדירים מספר חדש, שנקרא היחידה המדומה, והריבוע שלו שווה ל-−1. במתמטיקה מסמנים אותו באות i, אבל בחשמל מסמנים אותו באות j, כי האות i שמורה לזרם:
ייצוג קרטזי והמישור המרוכב:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| z | המספר המרוכב | — |
| a | החלק הממשי | — |
| b | החלק המדומה | — |
| j | היחידה המדומה, j2 = −1 | — |
מייצגים את המספר המרוכב בנקודה במישור המרוכב: הציר האופקי הוא הציר הממשי Re, והציר האנכי הוא הציר המדומה Im.
בייצוג הקרטזי מגיעים אל הנקודה בשני צעדים: נעים a על הציר הממשי, ואחר כך b בכיוון האנכי. אפשר לתאר אותה נקודה בדרך אחרת: המרחק שלה מראשית הצירים r, והזווית θ בין הקו שמגיע אליה לבין הציר הממשי החיובי.
ייצוג קוטבי:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| r | הגודל (הערך המוחלט) של המספר המרוכב: מרחק הנקודה מראשית הצירים. תמיד חיובי | — |
| θ | הזווית של המספר המרוכב: נמדדת מן הציר הממשי החיובי, נגד כיוון השעון | [°] |
מעבר מקרטזי לקוטבי:
החלקים a ו-b והגודל r יוצרים משולש ישר-זווית, ולכן משתמשים במשפט פיתגורס ובפונקציית הטנגנס:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| r | גודל המספר המרוכב | — |
| θ | זווית המספר המרוכב | [°] |
| a , b | החלק הממשי והחלק המדומה | — |
הנתונים: a = 4, b = 3. המספר נמצא ברביע הראשון.
קביעת הרביע:
המחשבון מחזיר את הערך של tan−1 רק בתחום שבין −90° ל-+90°, כלומר כאילו המספר נמצא תמיד ברביע הראשון או הרביעי. כשהחלק הממשי a שלילי, המספר נמצא ברביע השני או השלישי, ועלינו לתקן את הזווית:
| הרביע | הסימן של a | הסימן של b | הזווית θ |
|---|---|---|---|
| הראשון | חיובי | חיובי | θ = tan−1(ba) |
| השני | שלילי | חיובי | θ = tan−1(ba) + 180° |
| השלישי | שלילי | שלילי | θ = tan−1(ba) − 180° |
| הרביעי | חיובי | שלילי | θ = tan−1(ba) |
א. z1 = −3 + j 4 .
ב. z2 = −6 − j 8 .
ג. z3 = 5 − j 12 .
נסרטט את שלושת המספרים במישור המרוכב כדי לראות באיזה רביע נמצא כל אחד מהם.
א. המספר z1 ברביע השני (a < 0 , b > 0), ולכן נוסיף 180°:
ב. המספר z2 ברביע השלישי (a < 0 , b < 0), ולכן נחסר 180°:
ג. המספר z3 ברביע הרביעי (a > 0), ואין צורך בתיקון:
מעבר מקוטבי לקרטזי:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| a | החלק הממשי | — |
| b | החלק המדומה | — |
| r , θ | הגודל של המספר המרוכב והזווית שלו | — |
א. z1 = 10∠60° .
ב. z2 = 20∠−135° .
א. נחשב את החלק הממשי ואת החלק המדומה:
ב. הזווית −135° נמצאת ברביע השלישי, ולכן נצפה ששני החלקים יהיו שליליים:
מספרים מיוחדים. מספר ממשי נמצא על הציר הממשי, ומספר מדומה נמצא על הציר המדומה. כדאי לזכור את המקרים הבאים, כי נשתמש בהם הרבה בפרק הבא:
| ייצוג קרטזי | 5 | j 5 | −5 | −j 5 |
|---|---|---|---|---|
| ייצוג קוטבי | 5∠0° | 5∠90° | 5∠180° | 5∠−90° |
| מקומו במישור | הציר הממשי החיובי | הציר המדומה החיובי | הציר הממשי השלילי | הציר המדומה השלילי |
ב. נכתוב בייצוג קרטזי: z3 = 12∠−30° .
1. הפונקציות Pol ו-Rec : הפונקציה Pol(a , b) ממירה לייצוג קוטבי ונותנת את r ואת θ, והפונקציה Rec(r , θ) ממירה לייצוג קרטזי ונותנת את a ואת b.
2. מצב מספרים מרוכבים (נקרא בדרך כלל CMPLX): מקלידים את המספר באחד משני הייצוגים, משתמשים במקש ∠ לייצוג הקוטבי, ואז מבקשים להציג את התוצאה בייצוג האחר. במצב הזה אפשר לבצע חיבור, חיסור, כפל וחילוק ישירות. המחשבון כותב i במקום j.
בשני המקרים המחשבון צריך להיות במצב מעלות DEG. הפונקציה Pol ומצב המספרים המרוכבים נותנים את הזווית ברביע הנכון, ואין בהם צורך בתיקון של 180°.
חיבור, חיסור, כפל וחילוק של מספרים מרוכבים (Complex Arithmetic)
לכל פעולת חשבון יש ייצוג נוח. הכלל שכדאי לזכור: מחברים ומחסרים בייצוג קרטזי, כופלים ומחלקים בייצוג קוטבי.
חיבור וחיסור:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| a1 , b1 | החלק הממשי והחלק המדומה של המספר הראשון z1 | — |
| a2 , b2 | החלק הממשי והחלק המדומה של המספר השני z2 | — |
כלומר, מחברים חלק ממשי עם חלק ממשי, וחלק מדומה עם חלק מדומה, כל חלק בנפרד.
במישור המרוכב, חיבור של שני מספרים מרוכבים הוא חיבור של שני וקטורים: מסרטטים את הווקטור השני מראש הווקטור הראשון, והשקול z = z1 + z2 (בירוק) הוא הווקטור מראשית הצירים אל ראש הווקטור השני.
שלב 1: נמיר את שני המספרים לייצוג קרטזי:
שלב 2: נחבר כל חלק בנפרד:
שלב 3: נמיר את התוצאה לייצוג קוטבי. המספר ברביע הרביעי:
כפל וחילוק:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| r1 , θ1 | הגודל של המספר הראשון z1 והזווית שלו | — |
| r2 , θ2 | הגודל של המספר השני z2 והזווית שלו | — |
- בכפל: כופלים את הגדלים ומחברים את הזוויות.
- בחילוק: מחלקים את הגדלים ומחסרים את זווית המכנה מזווית המונה.
כפל בייצוג קרטזי. אפשר לכפול גם בייצוג קרטזי: פותחים סוגריים כמו באלגברה, ומציבים j2 = −1 :
נכפול כל איבר בסוגריים הראשונים בכל איבר בסוגריים השניים:
נציב j2 = −1, והאיבר האחרון הופך ל-+3. אחר כך נחבר את החלקים הממשיים יחד ואת החלקים המדומים יחד:
חילוק בייצוג קרטזי. כופלים את המונה ואת המכנה בצמוד של המכנה, וכך המכנה הופך למספר ממשי:
הדרך הראשונה, בייצוג קרטזי: נכפול את המונה ואת המכנה בצמוד של המכנה (3 − j 4) :
הדרך השנייה, בייצוג קוטבי: נמיר את המכנה, 3 + j 4 = 5∠53.13°, ואז נחלק:
שתי התוצאות שוות: 10∠−53.13° = 6 − j 8 .
כפל ב-j וחילוק ב-j:
מכיוון ש-j = 1∠90°, כפל של מספר מרוכב ב-j אינו משנה את גודלו, אלא מסובב אותו 90° נגד כיוון השעון. חילוק ב-j מסובב אותו 90° עם כיוון השעון (הווקטור הירוק בסרטוט).
פעולות משולבות:
במעגלי זרם חילופין צריך לעיתים קרובות לחשב ביטוי שיש בו כפל במונה וחיבור במכנה, כמו בנוסחה של שני נגדים במקביל. מחשבים את המכנה בייצוג קרטזי, ממירים אותו לייצוג קוטבי, ואז כופלים ומחלקים בייצוג קוטבי:
שלב 1: המכנה הוא סכום, ולכן נחשב אותו בייצוג קרטזי ואז נמיר אותו לקוטבי:
שלב 2: המונה הוא מכפלה, ולכן נמיר את שני המספרים לייצוג קוטבי ונכפול:
שלב 3: נחלק את המונה במכנה:
ובייצוג קרטזי: z = 75 − j 25 .
ב. נתון z3 = 5 − j 2 ו-z4 = −1 + j 6 . נחשב את z3 + z4 ואת z3 − z4 .
ייצוג פאזורים באמצעות מספרים מרוכבים (Phasors as Complex Numbers)
פאזור:
נדמיין וקטור שאורכו Um ומסתובב סביב ראשית הצירים נגד כיוון השעון במהירות זוויתית קבועה ω. גובה ראש הווקטור מעל הציר האופקי שווה בכל רגע ל-Um·sin(ωt), כלומר עם הזמן הוא מסרטט גל סינוס שלם: סיבוב שלם של הווקטור מתאים למחזור שלם של האות.
במעגל אחד לכל המתחים והזרמים יש אותה תדירות, ולכן כל הפאזורים מסתובבים יחד באותה מהירות, והזוויות ביניהם אינן משתנות. לכן מספיק לסרטט אותם "קפואים" ברגע אחד. הסרטוט שמרכז את הפאזורים נקרא דיאגרמה פאזורית.
הפאזור כמספר מרוכב:
לפאזור יש גודל וזווית, בדיוק כמו למספר מרוכב בייצוג קוטבי. לכן כותבים כל פאזור כמספר מרוכב. מוסכם שגודל הפאזור הוא הערך היעיל של האות, כי זה הערך שמכשירי המדידה מציגים ושבעזרתו מחשבים הספק:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| U̲ | פאזור המתח, והוא מספר מרוכב | [V] |
| U | הערך היעיל של המתח: גודל הפאזור | [V] |
| φ | המופע: זווית הפאזור | [°] |
| Um | ערך השיא של המתח | [V] |
נחשב את הערך היעיל:
המופע φ = 30°, ולכן:
שלב 1: נמיר לייצוג קוטבי. המספר ברביע הרביעי:
שלב 2: גודל הפאזור הוא הערך היעיל, ולכן נחשב את ערך השיא:
שלב 3: התדירות הזוויתית ω = 2πf = 2π · 50 ≈ 314 rad/s, ונכתוב את הביטוי:
ב. הפאזור של מתח הוא U̲ = 230∠45° V . מהו ערך השיא של המתח?
קריאת הדיאגרמה הפאזורית:
- אורכו של כל פאזור פרופורציוני לערך היעיל, והזווית שלו נמדדת מן הציר האופקי, נגד כיוון השעון.
- הפאזורים מסתובבים נגד כיוון השעון. הפאזור שנמצא לפני האחר בכיוון הסיבוב הוא המקדים.
- הזווית בין שני הפאזורים היא הפרש המופע φ בין שני האותות.
בסרטוט: U̲ = 100∠30° V ו-I̲ = 60∠−25° A . המתח מקדים את הזרם בזווית φ = 30° − (−25°) = 55° .
חיבור אותות סינוסואידליים באמצעות פאזורים:
שני חוקי קירכהוף נכונים בזרם חילופין בכל רגע. אבל חיבור של שני גלי סינוס נקודה אחר נקודה הוא עבודה ארוכה. במקום זה מחברים את שני הפאזורים כשני מספרים מרוכבים: הסכום הוא הפאזור של האות השקול, ולו אותה תדירות.
שלב 1: נמיר את שני המתחים לייצוג קרטזי:
שלב 2: נחבר:
שלב 3: נמיר לייצוג קוטבי:
הערך היעיל של המתח הכולל הוא 129.25 V, ולא 100 + 60 = 160 V . בדיאגרמה הפאזורית סרטטנו את U̲2 מראש U̲1, והשקול U̲ סוגר את המשולש.
מבט קדימה: חוק אום במספרים מרוכבים:
כשמחלקים את פאזור המתח בפאזור הזרם מקבלים מספר מרוכב אחד: גודלו מראה עד כמה הרכיב מגביל את הזרם, וזוויתו מראה בכמה הוא מזיז את המופע בין המתח לזרם. המספר הזה נקרא עכבה Z̲, והוא נושא הפרק הבא.
הגודל 50 Ω הוא היחס בין הערכים היעילים של המתח ושל הזרם, והזווית 36.87° היא הפרש המופע ביניהם: המתח מקדים את הזרם.
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| היחידה המדומה | j2 = −1 |
| ייצוג קרטזי | z = a + jb |
| ייצוג קוטבי | z = r∠θ |
| מקרטזי לקוטבי: הגודל | r = a2 + b2 |
| מקרטזי לקוטבי: הזווית (עם בדיקת הרביע) | θ = tan−1(ba) |
| מקוטבי לקרטזי | z = r·cosθ + j·r·sinθ |
| חיבור (בייצוג קרטזי) | z1 + z2 = (a1 + a2) + j(b1 + b2) |
| כפל (בייצוג קוטבי) | z1 · z2 = r1·r2 ∠(θ1 + θ2) |
| חילוק (בייצוג קוטבי) | z1z2 = r1r2 ∠(θ1 − θ2) |
| פאזור | U̲ = U∠φ = Um2 ∠φ |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| מספר מרוכב | Complex number | العدد المركّب |
| היחידה המדומה | Imaginary unit | الوحدة التخيلية |
| חלק ממשי | Real part | الجزء الحقيقي |
| חלק מדומה | Imaginary part | الجزء التخيلي |
| המישור המרוכב | Complex plane | المستوى المركّب |
| הציר הממשי / המדומה | Real / imaginary axis | المحور الحقيقي / التخيلي |
| ייצוג קרטזי | Cartesian (rectangular) form | الصيغة الديكارتية (الجبرية) |
| ייצוג קוטבי | Polar form | الصيغة القطبية |
| גודל / ערך מוחלט | Magnitude | المقدار |
| זווית | Angle | الزاوية |
| רביע | Quadrant | الربع |
| מספר צמוד | Complex conjugate | العدد المرافق |
| פאזור | Phasor | المتجه الطوري |
| דיאגרמה פאזורית | Phasor diagram | المخطط الطوري |
| ערך יעיל | Effective (RMS) value | القيمة الفعالة |
| עכבה | Impedance | الممانعة (المعاوقة) |
שאלות לתרגול:
א. z1 = 5 + j 2 .
ב. z2 = −3 + j 4 .
ג. z3 = −j 6 .
ד. z4 = −7 .
א. 12 + j 5 .
ב. −8 + j 6 .
ג. −4 − j 4 .
ד. 9 − j 12 .
א. 50∠53.13° .
ב. 15∠120° .
ג. 8∠−90° .
א. מהי הטעות שלו?
ב. מהי התוצאה הנכונה?
א. z1 + z2 .
ב. z1 − z2 .
ג. נכתוב את תוצאת סעיף א בייצוג קוטבי.
א. z1 · z2 .
ב. z1z2 .
ג. נכתוב את תוצאת סעיף ב בייצוג קרטזי.
א. (3 + j 2)·(1 − j 4) .
ב. 202 − j 4 .
א. j · 10∠20° .
ב. 10∠20°j .
ג. j3 .
ד. 1j 5 .
א. u(t) = 325·sin(314t + 45°) V .
ב. i(t) = 2.83·sin(314t − 90°) A .
א. נכתוב אותו בייצוג קוטבי.
ב. נכתוב את הביטוי המתמטי u(t) .
א. נחשב את המתח הכולל.
ב. נסרטט את הדיאגרמה הפאזורית.
ג. איזה מן המתחים מקדים את האחר?
א. נחשב את Z̲ = U̲I̲ בשני הייצוגים.
ב. האם המתח מקדים את הזרם או מפגר אחריו? ובאיזו זווית?