Правка разделов «Условие», «Решение», «Литература»

igor правка от
правка #13822 предыдущая #13821 ← раньше позже →
@@ -1,14 +1,67 @@
### Условие
−$11.4.3.$ [Вставьте условие задачи]
+$11.4.3^*.$ 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 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.
+При включении $RL$-цепи на постоянное напряжение происходит переходный процесс, при котором ток в цепи устанавливается постепенно. Теплоту ищем по закону Джоуля—Ленца в таком виде:
−#### Ответ
+$$
+W=R\int i^2dt.\tag{1}
+$$
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]
+Закон изменения тока находится через дифференциальное уравнение по второму правилу Кирхгофа для $RL$-цепи:
+
+$$
+iR+L\frac{di}{dt}=U.
+$$
+
+Можно показать [1], что с учетом начальных условий данному дифф. уравнению удовлетворяет зависимость:
+
+$$
+i=\frac{U}{R}\left(1-e^{-\tfrac{t}{\tau}}\right)
+$$
+
+где $\tau=\dfrac{L}{R}$ есть постоянная времени (время, за которое ток в цепи уменьщается в $e$ раз).
+
+С учетом найденной зависимости тока в цепи перепишем формулу $(1)$, взяв интеграл:
+
+$$
+W=\frac{U^2}{R}\left(t+2\tau e^{-\tfrac{t}{\tau}}-\frac{\tau}{2}e^{-2\tfrac{t}{\tau}}\right),
+$$
+
+или, в приближении $t\gg\tau$:
+
+$$
+W\approx\frac{U^2}{R}t.\tag{2}
+$$
+
+Напряжение источника $U$ найдем из закона изменения тока, записанного выше, подстановкой в него значения $I$ тока для момента времени $t$, заданного в условии:
+
+$$
+U=\frac{IR}{\left(1-e^{-\tfrac{t}{\tau}}\right)}.
+$$
+
+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 [2]: $e^{-\tfrac{t}{\tau}}\approx1-\dfrac{t}{\tau}$. 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 был пункт про включение соленоида на переменное напряжение через диод, а задача была без «звезды».
+
+#### Литература
+
+[1] Д. В. Подлесный. Переходные процессы в $RL$-цепях. Потенциал, 2020,
+№8.
+
+[2] Голубов Б. Что такое ряд Тейлора? «Квант», 1979, №5.
+
+
+#### Ответ: $W\approx\dfrac{L^2I^2}{Rt}$.