1.     a)     Give two examples of the following:

i)      Passive electrical components.                                                                                 

ii)     Active electrical components.                                                                                

b)      i)      Using the circuit shown in Figure Q1b explain how electrons are able to move around the circuit using the following key words:

Electric  field,  electric  force,  overpopulation,  electrical  energy,  heat,  light,      

current and voltage.

Figure Q1b

ii)     Name and define the two circuit laws that express the conservation of energy and the conservation of charge. Use an example for each law to illustrate the use of these laws in circuit analysis.

c)      Copper wire is commonly used in electronics. The data sheet for the copper wire used in a project contains the following information based on a 1 m length of wire:

Cross-sectional area: 0.8  10-3 m-2

Resistance per unit length: 0.021 Ω / m

i)      A current of 50 A flows through the wire and there are 8.5   1028  electrons per unit volume (m-3). Determine the electron drift speed.

ii)     Determine the current in a 10 m length of wire and the power dissipated as heat in the wire. Assume the same voltage is used.

d)     You have been asked to design a burglar alarm. A buzzer will sound if the window is opened.  You have been supplied with a circuit diagram (see Figure Q1d below), a 9 V battery, a transistor and a buzzer. The buzzer requires 9 V and will operate at currents less than 20 mA. You have access to a range of resistors of any value you require. The transistor specification sheet states that for a given batch the transistor DC current gain varies from 90 to 225. Assume the collector current is 10 mA and the base-emitter voltage is 0.6 V.

When window switch is open.

i)      Determine the range of resistors that will work with this circuit.

ii)     Obtain the emitter current.

When window switch is closed.

iii)    The maximum power dissipated in the resistor  should not exceed 0.25 W. Determine the maximum value of resistance that can be used.

Buzzer

R

9 V

Window

switch

Figure Q1d

2.    a)    Name two sources of a magnetic field.

b)    A system is supplied with current via a wire immersed in an insulating medium of relative permeability 2.4. The wire carries a current of 10 A.

i)        Determine the applied field strength at a distance of 1 cm from the wire.

ii)       Determine the magnetic flux density at a distance of 1 cm from the wire.

c)    Table Q2b shows various quantities of electrical circuits with their symbols.

i)       List the equivalent magnetic circuit quantities, symbols and equations for each of the electrical quantities in table Q2b.

ii)      Write the equivalent equation of Ohm’s law in magnetic circuits. Define all terms and symbols.

d)    A moving coil current meter has a winding of 350 turns on a former that rotates around a soft iron core. A magnetic field of 2 Webers per m2  is produced in the air gap by a permanent magnet as shown in Figure Q2d.

The area of the coil former is 2  10-4  m2 . A spring with spring constant 8  10-3 Nm per radian of deflection is attached to the moving coil and restrains its rotation.

i)        Obtain the torque when a current of 2 A passes through the coil.

ii)      Find the angle of rotation, in degrees, produced as the result of the 2 A current in the coil.

iii)     Calculate the meter’s sensitivity.

Soft iron core

N                                        S

Coil on rotating former

Figure Q2d

e)    Write definitions of the following terms using a labelled diagram to explain your answer:

i)       Exciter.                                                                                                                

ii)       Stator.                                                                                                             

f)     A 3 phase 2 pole  alternator generates AC voltage at a frequency of 125 Hz.

i)       Determine the rotation speed of the rotor in rpm.                                           

ii)       State two advantages of an alternator over a rotating armature motor/generator.      

3     a)    State Thevenin’s Theorem and draw the Thevenin equivalent circuit. Use appropriate symbols.

b)    The 220 F capacitor, shown in Figure Q3b, is initially discharged. The switch is moved from position 1 to position 2.

i)      Determine how long the capacitor takes to charge up to 98% of its final value.

The switch is moved back to position 1.

ii)      Determine the energy stored in the inductor after a time of more than 5 time constants (when the circuit has reached steady state).

Figure Q3b

c)    A battery comprising of a 9 V ideal voltage source and internal resistance, Rseries , is connected to a  100 Ω variable resistor as shown in Figure Q3c below. With the variable resistor set at 50 Ω the voltage across it is found to be 8.5 V.

i)       Determine the value of Rseries .                                                              

ii)      Determine the power supplied to both Rseries and the 50 Ω resistor.        

iii)     The battery has an energy rating of 4.5  10-3 kWh.  Calculate how long the battery will last before its store of energy is used up.