The solution before revision #14432 of , by igor. This is not the current version.

Условие

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 «запускают», подключая к соленоиду на время постоянное напряжение. Максимальный ток в соленоиде . Определите верхний предел количества теплоты, выделяющейся в соленоиде при запуске в нем тока. Перед переходом в сверхпроводящее состояние сопротивление соленоида было .

К задаче $11.4.3$

Решение

При включении -цепи на постоянное напряжение происходит переходный процесс, при котором ток в цепи устанавливается постепенно [1]. Теплоту ищем по закону Джоуля—Ленца в таком виде:

Закон изменения тока находится через дифференциальное уравнение по второму правилу Кирхгофа для -цепи:

Можно показать [2], что с учетом начальных условий данному дифф. уравнению удовлетворяет зависимость:

где есть постоянная времени (время, за которое переменная составляющая тока меняется в раз).

С учетом найденной зависимости тока в цепи перепишем формулу , взяв интеграл:

или, в приближении :

Напряжение источника найдем из закона изменения тока, записанного выше, подстановкой в него значения тока для момента времени , 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 в ряд Тейлора до второго члена [3]: . Так что:

Подставляем вот эту формулу в формулу и с учетом после упрощений получаем искомую энергию:

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 -цепях. Потенциал, 2020, №8.

[3] Голубов Б. Что такое ряд Тейлора? «Квант», 1979, №5.

Ответ

.