11.4.3∗. При переходе вещества в сверхпроводящее состояние только небольшая часть электронов проводимости движется, не испытывая при этом сопротивления. Ток в сверхпроводящем соленоиде индуктивности $L$ «запускают», подключая к соленоиду на время $t$ постоянное напряжение. Максимальный ток в соленоиде $I$. Определите верхний предел количества теплоты, выделяющейся в соленоиде при запуске в нем тока. Перед переходом в сверхпроводящее состояние сопротивление соленоида было $R$.
Решение
При включении $RL$-цепи на постоянное напряжение происходит переходный процесс, при котором ток в цепи устанавливается постепенно [1]. Теплоту ищем по закону Джоуля—Ленца в таком виде:
$$W=R\int i^2dt.\tag{1}$$
Закон изменения тока находится через дифференциальное уравнение по второму правилу Кирхгофа для $RL$-цепи:
$$iR+L\frac{di}{dt}=U.$$
Можно показать [2], что с учетом начальных условий данному дифф. уравнению удовлетворяет зависимость:
Напряжение источника $U$ найдем из закона изменения тока, записанного выше, подстановкой в него значения $I$ тока для момента времени $t$, заданного в условии:
Преобразуем эту формулу. Пренебрегать слагаемым с экспонентой не можем, так как в таком случае получаем приближение лишь для постоянного тока. Разложим величину $e^{-\tfrac{t}{\tau}}$ в ряд Тейлора до второго члена [3]: $e^{-\tfrac{t}{\tau}}\approx1-\dfrac{t}{\tau}$. Так что:
$$U\approx\frac{IR\tau}{t}.$$
Подставляем вот эту формулу в формулу $(2)$ и с учетом $\tau=\dfrac{L}{R}$ после упрощений получаем искомую энергию:
$$W\approx\frac{L^2I^2}{Rt}.$$
Примечание: в задачнике 1981 года есть пункт про включение соленоида на переменное напряжение через диод, при этом задача не отмечена «звездой».
Литература
[1] Теоретические основы электротехники. Том 2. К. С. Демирчян, Л. Р. Нейман, Н. В. Коровкин, В. Л. Чечурин. 2003.
[2] Д. В. Подлесный. Переходные процессы в $RL$-цепях. Потенциал, 2020, №8.
[3] Голубов Б. Что такое ряд Тейлора? «Квант», 1979, №5.