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.
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 ההיגבי 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 ההיגבי, והיתר מייצג את ההספק המדומה. זווית המופע בין P ל-S:
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — שלושה מדי-זרם מגלים את המעגל.
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, ההיגבי 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 ההיגבי Q = 6000 var, והיתר מייצג את ההספק המדומה S = 12000 VA. הזווית בין P ל-S היא φ = 30°.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — עומס סימטרי במשולש.
📘 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 משפט 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.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — OR ו-NAND שיוצרים XOR.
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:
A
B
C
F
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
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.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — ארבעה ענפי מתגים.
🌡️ שאלות 11–12 — לתלמידי בקרת אקלים
שאלה 11 — גז אידאלי 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 האידאלי, כאשר הטמפרטורה קבועה מתקיים חוק בויל: מכפלת הלחץ בנפח נשארת קבועה, ולכן כשהגז מתפשט הלחץ שלו יורד באותו יחס.
סעיף ג — הלחץ בתחילת התהליך ובסופו
לפי משוואת המצב של גז אידאלי, 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:
על עקומת T קבוע המכפלה p·V נשמרת — השטח הכחול הוא העבודה שעשה הגז.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — התפשטות איזותרמית.
שאלה 12 — תהליך דו-שלבי של גז אידאלי
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.
🧪סימולציה בתוך הדף— דחיסה איזוברית ואחריה חימום איזוכורי
רק הקטע האופקי עושה עבודה; הקטע האנכי אינו תורם דבר.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — דחיסה איזוברית ואחריה חימום איזוכורי.