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.
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:
🧪 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, 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°.
🧪 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 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.
🧪 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 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:
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 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.
🧪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.