על המסמך: הצעה לפתרון מלא לשאלון 845381 — מערכות חשמל, בגרות קיץ תשע״ז 2017. במבחן המקורי נדרש הנבחן לענות על שתי שאלות מהפרק הראשון, שתי שאלות מהפרק השני ושאלה אחת מהפרק השלישי; במסמך זה נפתרו כל עשר השאלות במלואן. השאלון בנוי משלושה פרקים: תורת החשמל (שאלות 1–4), זרם חילופין (שאלות 5–8) ומערכות ספרתיות (שאלות 9–10).
שאלה 1 — משפט תבנין
נתונים: E = 80V · R₁ = R₂ = R₃ = 12kΩ · RL מחובר בין A ל-B
💡
מבנה המעגל: הנגד R₁ מחובר בין המקור לצומת A, והנגדים R₂ ו-R₃ מחוברים בטור זה לזה ויוצרים ענף שני בין הצומת A להדק B. נגד העומס R_L מחובר בין ההדקים A ו-B.
סעיף א — מעגל תבנין שקול עבור R_L
לפי משפט תבנין, כל רשת ליניארית הנראית משני הדקים ניתנת להחלפה במקור מתח שקול אחד בטור עם נגד שקול אחד. מעגל התבנין השקול הוא מקור מתח U_{th} בטור עם התנגדות פנימית R_{th}, וההדקים A–B שאליהם מתחבר נגד העומס R_L.
סעיף ב — התנגדות תבנין R_th
מנתקים את R_L, מקצרים את מקור המתח E ומחשבים את ההתנגדות הנראית מההדקים A–B. במצב זה R₁ מקביל לצירוף הטורי R₂ + R₃:
מבנה המעגל: בין הצמתים B ו-C שני ענפים מקבילים — R₅ + R₆ בטור וכן R₃ + R₄ בטור. הנגד R₂ מחובר בין A ל-B, הנגד R₇ מחובר דרך המפסק S₁ בין A ל-C, והמפסק S₂ נמצא בין R₁ לצומת A. הצומת C מוארק ומחובר להדק השני של המקור.
סעיף א — המפסקים S₁ ו-S₂ פתוחים
ההתנגדות בין B ל-C היא צירוף מקבילי של שני הענפים הטוריים:
ההתנגדות בין A ל-C היא R₂ בטור עם הצירוף שבין B ל-C, שכן ענף R₇ מנותק כאשר S₁ פתוח:
RAC = R₂ + RBC = 50 + 25 = 75 Ω
RBC = 25 Ω ; RAC = 75 Ω
סעיף ב — ההתנגדות שרואה המקור כאשר S₁ ו-S₂ סגורים
כאשר שני המפסקים סגורים, בין A ל-C מחוברים במקביל הענף R₂ + R_{BC} = 75 Ω והנגד R₇ = 25 Ω, וכל זה בטור עם R₁:
RAC = 75 × 2575 + 25 = 18.75 Ω
Req = R₁ + 18.75 = 5 + 18.75 = 23.75 Ω
Req = 23.75 Ω
סעיף ג — הפוטנציאל בנקודה A
מחשבים את הזרם הכללי שמספק המקור, ומפחיתים ממתח המקור את מפל המתח על R₁. הפוטנציאל נמדד ביחס לצומת C המוארק:
I = EReq = 4023.75 = 1.684 A
VA = E - I · R₁ = 40 - 1.684 × 5 = 31.58 V
VA ≈ 31.6 V
סעיף ד — ההספק בנגד R₁
P(R₁) = I2 · R₁ = 1.6842 × 5 = 14.18 W
P(R₁) ≈ 14.2 W
🧪סימולציה בתוך הדף— שני המפסקים והתנגדות המקור
סגרו את S₁ וראו את ההתנגדות שרואה המקור צונחת מ-75 ל-18.75 אום — והזרם עולה בהתאם.▶ פתח את מעבדת המעגל המעורב
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — שני המפסקים והתנגדות המקור.
שאלה 3 — מעגל קבלים
נתונים: 6 קבלים זהים · εr = 5 · A = 0.5 m2 · d = 1cm = 0.01m
💡
מבנה המעגל: בצד שמאל שני קבלים בטור המחוברים ישירות על המקור. בצד ימין ענף טורי — קבל עליון שעליו מחובר וולטמטר, ובטור אליו צירוף מקבילי של שני קבלים בטור יחד עם קבל בודד.
סעיף א — הקיבול של כל קבל
C = ε₀ · εr · Ad = 8.85 × 10-12 × 5 × 0.50.01 = 2.21 × 10-9 F
C ≈ 2.21 nF
סעיף ב — הקיבול השקול של המעגל
בענף השמאלי שני קבלים זהים בטור. בענף הימני שני הקבלים הטוריים נותנים C/2, ובמקביל אליהם קבל בודד C, והצירוף מחובר בטור לקבל העליון:
C₁ = C2 = 0.5C
C₂ = C2 + C = 1.5C
C₃ = C × 1.5CC + 1.5C = 1.5C22.5C = 0.6C
Ceq = 0.5C + 0.6C = 1.1C = 1.1 × 2.21 = 2.43 nF
Ceq ≈ 2.43 nF
סעיף ג — מתח המקור E כאשר הוולטמטר מראה 30V
הוולטמטר מודד את המתח על הקבל העליון בענף הימני. בענף טורי המטען זהה בשני חלקי הענף:
Q = C × 30 = 30C
U₂ = Q1.5C = 30C1.5C = 20 V
E = 30 + 20 = 50 V
E = 50 V
🧪סימולציה בתוך הדף— קיבול מן הגאומטריה ומתח המקור
שנו את המרווח d או את הדיאלקטרי וראו איך כל ששת הקבלים משתנים יחד — והמתח הנדרש עולה.▶ פתח את מעבדת הקבלים
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — קיבול מן הגאומטריה ומתח המקור.
שאלה 4 — רשת תלת-מופעית
נתונים: U(קווי) = 400V · f = 50Hz · מנוע P = 15kW, cos φ = 0.8 השראותי · גוף חימום R = 35 Ω בכוכב · קבלים C = 40µF במשולש
סעיף א — הזרמים I₁ ו-I₂
זרם המנוע נקבע מהספקו כעומס תלת-מופעי:
I₁ = P√3 · U(קווי) · cos φ = 150001.732 × 400 × 0.8 = 27.06 A
גוף החימום מחובר בכוכב, ולכן על כל נגד שורר המתח המופעי, וזרם הקו שווה לזרם המופעי:
U(מופעי) = U(קווי)√3 = 4001.732 = 230.9 V
I₂ = U(מופעי)R = 230.935 = 6.6 A
I₁ ≈ 27.1 A ; I₂ ≈ 6.6 A
סעיף ב — קריאת האמפרמטרים A₁ ו-A₂
הקבלים מחוברים במשולש, ולכן על כל קבל שורר המתח הקווי, והאמפרמטרים מודדים זרם קו:
XC = 12π f C = 12π × 50 × 40 × 10-6 = 79.58 Ω
I(מופעי) = U(קווי)XC = 40079.58 = 5.03 A
I(קווי) = √3 · I(מופעי) = 1.732 × 5.03 = 8.71 A
A₁ = A₂ ≈ 8.7 A
סעיף ג — הזרם I₄ בקו ההזנה
מחברים את ההספקים של כל העומסים. תחילה ההספק הפעיל הכולל:
P(חימום) = 3 · U(מופעי)2R = 3 × 230.9235 = 4571 W
P = 15000 + 4571 = 19571 W
המנוע צורך הספק היגבי השראותי, הקבלים מספקים הספק היגבי קיבולי, וגוף החימום אינו צורך הספק היגבי:
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — מנוע, חימום וקבלים על אותה רשת.
🔌 פרק שני — זרם חילופין
שאלה 5 — מעגל RLC טורי בזרם חילופין
נתונים: UR = 3V · UL = 12V · UC = 8V · I = 2A · f = 50Hz
סעיף א — מתח המקור U
במעגל טורי המתח על המשרן מקדים את הזרם ב-90° והמתח על הקבל מפגר אחריו ב-90°, ולכן הם מחוסרים זה מזה, וההפרש מחובר וקטורית למתח על הנגד:
U = √UR2 + (UL - UC)2 = √32 + (12 - 8)2 = √25 = 5 V
U = 5 V
סעיף ב — התנגדות הנגד, השראות המשרן וקיבול הקבל
R = URI = 32 = 1.5 Ω
XL = ULI = 122 = 6 Ω → L = XL2π f = 6314.16 = 0.0191 H
XC = UCI = 82 = 4 Ω → C = 12π f XC = 1314.16 × 4 = 7.96 × 10-4 F
R = 1.5 Ω ; L ≈ 19.1 mH ; C ≈ 796 µF
סעיף ג — דיאגרמה פאזורית של המתחים
מסרטטים את פאזור הזרם I כציר הייחוס האופקי. המתח U_R בפאזה עם הזרם, המתח U_L מקדים אותו ב-90° כלפי מעלה, והמתח U_C מפגר אחריו ב-90° כלפי מטה. ההפרש U_L − U_C מצביע כלפי מעלה, ומתח המקור הוא היתר של משולש שניצביו 3V ו-4V:
φ = arctan(UL - UCUR) = arctan(43) = 53.13°
המעגל השראותי — הזרם מפגר אחרי מתח המקור בזווית של כ-53°.
φ = 53.13° (המעגל השראותי)
סעיף ד — הספקים ומשולש ההספקים
ההספק בכל אחד ממרכיבי המעגל:
P(R) = UR · I = 3 × 2 = 6 W
Q(L) = UL · I = 12 × 2 = 24 var
Q(C) = UC · I = 8 × 2 = 16 var
הניצב האופקי במשולש ההספקים הוא ההספק הפעיל, הניצב האנכי הוא ההספק ההיגבי השקול, והיתר הוא ההספק המדומה:
Q = Q(L) - Q(C) = 24 - 16 = 8 var
S = U · I = 5 × 2 = 10 VA
S = √62 + 82 = 10 VA ✓
P = 6 W ; Q = 8 var ; S = 10 VA
🧪סימולציה בתוך הדף— בניית המעגל מתוך שלוש מדידות מתח
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — תהודה מרוחב הסרט ומן הטיב.
שאלה 7 — מעגל על מטריצה וזיהוי נגדים לפי קוד צבעים
נתונים: ספק כפול · E₁ = 40V · E₂ = 30V · חמישה נגדים מזוהים בקוד צבעים
⚠️
קריאת הנתונים מהאיור: ערכי הנגדים זוהו לפי פסי הצבע, כשהפס הרביעי זהב מציין דיוק ±5%, ומתחי הספקים נקראו מצגי ספק הכוח הכפול — 40V ליחידה השמאלית ו-30V ליחידה הימנית.
זיהוי הנגדים לפי פסי הצבע:
הנגד
פסי הצבע
חישוב
ערך
R₁
כחול, אפור, חום, זהב
68 × 10
680 Ω
R₂
אדום, אדום, אדום, זהב
22 × 100
2.2 kΩ
R₃
אפור, אדום, חום, זהב
82 × 10
820 Ω
R₄
ירוק, חום, אדום, זהב
51 × 100
5.1 kΩ
R₅
חום, שחור, אדום, זהב
10 × 100
1 kΩ
סעיף א.1 — סרטוט המעגל החשמלי
מעקב אחר החיווט על המטריצה מראה מעגל בעל שני חוגים עם ענף משותף. ההדק החיובי של E₁ מחובר דרך R₁ לצומת A וההדק השלילי דרך R₂ לצומת B; ההדק החיובי של E₂ מחובר דרך R₄ לצומת B וההדק השלילי דרך R₃ לצומת A; והנגד R₅ מחובר בענף המשותף בין הצמתים A ו-B.
סעיף א.2 — ההספק בנגד R₄
נסמן U = V(A) − V(B) את המתח בין הצמתים, ונרשום משוואת זרמים לצומת A — הזרם הנכנס מענף E₁ שווה לסכום הזרמים היוצאים דרך R₅ ודרך הענף של E₂:
E₁ - UR₁ + R₂ = UR₅ + U + E₂R₃ + R₄
40 - U2880 = U1000 + U + 305920 → U = 5.82 V
הזרם בענף של E₂ זורם דרך R₃ ודרך R₄:
I(R₄) = U + E₂R₃ + R₄ = 5.82 + 305920 = 0.00605 A = 6.05 mA
נוודא את משוואת הצומת:
I(R₁) = 40 - 5.822880 = 11.87 mA ; I(R₅) = 5.821000 = 5.82 mA
11.87 ≈ 6.05 + 5.82 ✓
P(R₄) = I2 · R₄ = 0.006052 × 5100 = 0.187 W
P(R₄) ≈ 0.19 W = 187 mW
סעיף ב — מנתקים את הנגד R₅ שבענף AB
לאחר ניתוק R₅ נותר חוג טורי יחיד שבו שני המקורות פועלים באותו כיוון ומסייעים זה לזה, וכל ארבעת הנגדים מחוברים בטור. הזרם דרך R₁ לפי חוק המתחים של קירכהוף בחוג יחיד:
הסבר: שני חלקי המסלול המגנטי מחוברים בטור ולכן המיאונים מתחברים. אף שחריץ האוויר קצר מאוד, המיאון שלו גדול פי עשרה בקירוב מזה של הברזל, בגלל החדירות הנמוכה של האוויר.
סעיף ב — השטף המגנטי בליבת המעגל
על הליבה סליל בעל N = 600 כריכות שבו זורם זרם I = 2 A:
N · I = 600 × 2 = 1200 AT
Φ = N · IRₘ = 12002.04 × 107 = 5.88 × 10-5 Wb
Φ ≈ 58.8 µWb
סעיף ג — השדה המגנטי של המעגל
B = ΦA = 5.88 × 10-564 × 10-6 = 0.92 T
B ≈ 0.92 T
🧪סימולציה בתוך הדף— חריץ האוויר שולט במיאון
הזיזו את החריץ מאפס ומעלה: חצי מילימטר של אוויר כבר מוריד את השטף יותר מכל הברזל.▶ פתח את מעבדת המגנטיות
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — חריץ האוויר שולט במיאון.
📘 פרק שלישי — מערכות ספרתיות
שאלה 9 — פישוט ומימוש פונקציה בינארית
נתונים: פונקציה F של שלושה משתנים A, B, C נתונה כביטוי משלים
סעיף א.1 — פישוט הפונקציה למינימום ליטרלים
הפונקציה הנתונה, כשקו עליון מסמן היפוך:
F(A,B,C) = A + A · C · B + B · C + B
לפי כלל הבליעה, הסכום B · C + B שווה ל-B, ולכן בתוך הסוגריים נותר:
A + B + A · B · C
לפי הכלל X + X · Y = X + Y כאשר X = A + B, האיבר A · B · C הוא בדיוק A + B · C:
A + B + A · B · C = A + B + C
לבסוף, לפי כלל דה-מורגן:
F = A + B + C = A · B · C
F = A · B · C (3 ליטרלים)
סעיף א.2 — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים
נדרשים שלושה מהפכים (רכיב 7404) ושני שערי וגם (רכיב 7408): שלושת המהפכים נותנים את המשלימים של A, B ו-C; שער הוגם הראשון מקבל את המשלימים של A ו-B; ושער הוגם השני מקבל את מוצא הראשון ואת המשלים של C, ובמוצאו מתקבלת הפונקציה.
סעיף ב — קריאת מערך השערים המשולב ורישום הביטוי במוצא
הכניסות A ו-B מחוברות לשער או (7432), מוצאו נכנס לשער וגם (7408) יחד עם הכניסה C, ומוצא שער הוגם נכנס למהפך (7404) שמוצאו הוא F. השתלשלות האותות:
A + B
(A + B) · C
F = (A + B) · C
באמצעות כלל דה-מורגן אפשר לרשום את המוצא גם בצורה:
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — הביטוי המשלים ומערך השערים.
שאלה 10 — פונקציה הנתונה במפת קרנו
נתונים: F(X,Y,Z) = 1 בתאים 0, 4, 6, 3 · מצב חופשי Φ בתא 7 · אחרת 0
סעיף א — פישוט הפונקציה למינימום ליטרלים
מבצעים קיבוצים במפה, כשהמצב החופשי בתא 7 מנוצל כ-1. קיבוץ התאים 0 ו-4 (סמיכות גלילית) מבטל את X ונותן Y · Z; קיבוץ התאים 4 ו-6 מבטל את Y ונותן X · Z; קיבוץ התאים 3 ו-7 מבטל את X ונותן Y · Z:
F = Y · Z + X · Z + Y · Z
F = Y · Z + X · Z + Y · Z
סעיף ב — ערך הפונקציה כאשר X = Y וגם Z = 1
מציבים Z = 1 בפונקציה המפושטת. האיברים Y · Z ו-X · Z מתאפסים ונותר:
F = Y · Z = Y · 1 = Y
מכיוון ש-X = Y, ערך הפונקציה שווה לערך המשותף של הכניסות: אם X = Y = 0 מתקבל F = 0, ואם X = Y = 1 מתקבל F = 1 (תא 7 — המצב החופשי שמומש כ-1).
F = X = Y
סעיף ג — מימוש הפונקציה המפושטת על גבי המערך שבנספח
נדרשים שני מהפכים (7404), שלושה שערי וגם (7408) ושני שערי או (7432). המהפכים נותנים את המשלימים של Y ושל Z; שער הוגם הראשון נותן Y · Z, השני נותן X · Z, והשלישי נותן Y · Z; שער האו הראשון מאחד את שני האיברים הראשונים, ושער האו השני מוסיף את האיבר השלישי ומפיק את הפונקציה. בכל רכיב מחוברת רגל 14 ל-VCC ורגל 7 ל-GND.