$$\large{\textbf{Первое решение}}
$$
Добавим к исходному соленоиду такой же, дополнив его до бесконечного.
Обозначим магнитные поля исходного и добавленного соленоидов за $\vec{B}$ и $\vec{B}_1$ соответственно.
Если направление силы тока в добавленном соленоиде изменить на противоположное, то и создаваемое им магнитное поле $\vec{B}_2$ изменится на противоположное, т.е $\vec{B}_2=-\vec{B}_1$.
Добавленный соленоид с изменённым на противоположное направлением силы тока симметричен исходному относительно основания, поэтому создаваемые добавленным и исходным соленоидами магнитные поля $\vec{B}_2$ и $\vec{B}$ соответственно будут также симметричны относительно основания.
$$\large{\textbf{Второе решение}}
$$
Второй вариант рассуждений может быть построен на использовании теоремы о телесном угле для магнитного поля. Если по плоскому слою течёт ток линейной плотностью $\vec{i}$ , то в точке $O$ компонента магнитного поля, направленная вдоль слоя перпендикулярно $\vec{i}$, равна:
$$B_{O||}=\displaystyle\frac{\mu_0i\Omega_O}{4\pi}{,}
$$
где $\Omega_O$– телесный угол, под которым виден слой из точки $O$.
Применяя теорему о телесном угле к осевой компоненте магнитного поля соленоида, получим:
$$B_x=\displaystyle\frac{\mu_0nI \Omega_\text{бок}}{4\pi}{,}
$$
где $\Omega_\text{бок}$ – телесный угол, под которым видна боковая поверхность соленоида(с учётом знака, данная величина может быть и отрицательна).
Отметим, что утверждения, данные в примечании к условию задачи, могут быть получены с помощью этой теоремы.
В точках, принадлежащих основанию, боковая поверхность соленоида видна под телесным углом $\Omega_\text{бок}=2\pi$, а в точках, лежащих в плоскости основания и не принадлежащих ему, боковая поверхность соленоида видна под нулевым телесным углом. Отсюда получим ответы:
Поскольку виток сверхпроводящий, магнитный поток, пронизывающий его, должен оставаться постоянным и равным нулю. Пусть $\Phi_\text{с}$ – магнитный поток через виток от соленоида. Выберем положительное направление силы тока в витке такое, как и в соленоиде, тогда:
$$\Phi_\text{с}+LI_\text{в}=0{.}
$$
Как было показано в п.1, осевая компонента магнитного поля в плоскости витка на расстояниях меньших $r$ постоянна и равна $\displaystyle\frac{B_0}{2}$, а на расстояниях больших $r$ равна нулю. Поэтому поток магнитного поля соленоида через виток равен $\Phi_\text{с}=\displaystyle\frac{B_0S}{2}$, где $S$ – площадь основания соленоида.
С учетом $S=\pi{r}^2$, находим:
$$\Phi_\text{с}=\displaystyle\frac{\pi\mu_0nIr^2}{2}{,}
$$
и получаем ответ на второй вопрос:
$$\large{\textbf{Первое решение}}
$$
Сила взаимодействия витка с соленоидом направлена вдоль их общей оси.
В толщине слоя $dh$ находится $dN=ndh$ витков, а сила, действующая на них равна:
$$dF_x=dF_{1x}dN=-InB_rdldh{.}
$$
Отметим, что $dldh=dS_\text{бок}$ – элемент площади боковой поверхности соленоида.
Тогда выражение для элемента силы можно переписать в виде:
$$dF_x=-Ind\Phi_\text{бок}{,}
$$
где $\Phi_\text{бок}$ – поток магнитного поля витка через боковую поверхность соленоида.
Равнодействующая сила равна:
$$F_x=-In\Phi_\text{бок}{.}
$$
Для нахождения $\Phi_\text{бок}$ воспользуемся теоремой Гаусса для магнитного поля: через любую замкнутую поверхность поток магнитного поля равен нулю. Тогда имеем:
$$\Phi_\text{бок}+\Phi_\text{осн}=0{,}
$$
где $\Phi_\text{осн}$ – поток магнитного поля витка через основание соленоида.
Поскольку $r\ll{R}$, магнитное поле витка в ближнем основании соленоида можно считать однородным и равным:
$$B_{\text{в}x}=\displaystyle\frac{\mu_0I_\text{в}}{2R}{.}
$$
Также, поскольку соленоид полубесконечный, в дальнем основании соленоида магнитное поле витка равняется нулю.
Тогда для $\Phi_\text{осн}$ имеем:
$$\Phi_\text{осн}=B_{\text{в}x}S=\displaystyle\frac{\mu_0I_\text{в}S}{2R}{,}
$$
откуда находим:
$$\large{\textbf{Второе решение}}
$$
На больших ($R\gg{r}$) расстояниях от основания полубесконечного соленоида источник магнитного потока $\Phi_0=B_0S$ – ближний торец соленоида – выглядит практически точечным, и магнитный поток от него растекается практически равномерно по всем направлениям. Покажем это.
В соответствии с аналогией структур магнитного поля полубесконечного соленоида и электрического поля равномерно заряженного диска, на расстоянии $R\gg{r}$ от основания соленоида магнитное поле соленоида направленно вдоль линии, соединяющей рассматриваемую точку с основанием и равняется:
$$B_R=\displaystyle\frac{\mu_0nIr^2}{4R^2}{.}
$$
Результирующая сила отталкивания, действующая на виток со стороны соленоида, равна:
$$F_{\text{в}x}=-2\pi{R}I_\text{в}B_R=\displaystyle\frac{1}{RL}\left(\displaystyle\frac{\pi\mu_0nIr^2}{2}\right)^2{,}
$$
откуда в соответствии с третьим законом Ньютона получим:
$$\large{\textbf{Третье решение}}
$$
Задача также допускает энергетическое решение.
Обозначим взаимную индуктивность соленоида и витка за $L_\text{вз}=\displaystyle\frac{\Phi_\text{с}}{I}$.
В рассматриваемом положении она равна $\displaystyle\frac{\mu_0nS}{2}$.
Если обозначить индуктивность соленоида $L_1$, то энергия системы равна
$$E=\displaystyle\frac{L_1I^2}{2}+\displaystyle\frac{LI^2_\text{в}}{2}+L_\text{вз}II_\text{в}{,}
$$
или, с учетом соотношения $L_\text{вз}I+LI_\text{в}=0$:
$$E=\displaystyle\frac{L_1I^2}{2}-\displaystyle\frac{L^2_\text{вз}I^2}{2L}{.}
$$
Изменение энергии системы равняется:
$$dE=-\displaystyle\frac{I^2L_\text{вз}dL_\text{вз}}{L}{.}
$$
При движении соленоида в нём возникает ЭДС индукции. Поскольку сила тока в соленоиде остаётся постоянной, источник, подключенный к соленоиду, компенсирует ЭДС индукции, а значит совершает работу.
Поток магнитного поля витка через соленоид равен
$$\Phi_2=L_\text{вз}I_\text{в}=-\displaystyle\frac{L^2_\text{вз}I}{L}{,}
$$
поэтому работа источника равна:
$$dA_\text{ист}=-\int\limits_0^{t}\mathcal{E}_{инд}Idt=Id\Phi_2=-\displaystyle\frac{2I^2L_\text{вз}dL_\text{вз}}{L}=-2dE{.}
$$
Пусть $F_x$ – сила, действующая на соленоид со стороны витка. Тогда внешняя сила, действующая на соленоид для поддержания его в равновесии равна $-F_x$.
При сдвиге соленоида на $dx$ изменение энергии системы равно
$$dA_\text{ист}-F_xdx=dE{,}
$$
откуда
$$F_x=\displaystyle\frac{dE}{dx}=-\displaystyle\frac{I^2L_\text{вз}}{L}\displaystyle\frac{dL_\text{вз}}{dx}{.}
$$
Найдём изменение взаимной индуктивности $dL_\text{вз}$ при сдвиге соленоида на расстояние $dx$ вдоль оси симметрии. Сдвиг эквивалентен наращиванию еще $dN=ndx$ витков соленоида вблизи торца. Тогда сверхпроводящий виток начинает создавать дополнительный поток $d\Phi_1=B_{\text{в}x}SdN$ через соленоид, а значит, изменение $L_\text{вз}$ составит
$$dL_\text{вз}=d\left(\displaystyle\frac{\Phi_1}{I_\text{в}}\right)=\displaystyle\frac{\mu_0Sndx}{2R}{.}
$$
В последнем выражении мы воспользовались магнитным полем витка в его центре.
Подставляя $L_\text{вз}$ и $dL_\text{вз}$ в выражение для $F_x$, находим:
$$\large{\textbf{Четвёртое решение}}
$$
Поиск работы источника можно обойти, замкнув подводящие к соленоиду провода накоротко. Тогда поток магнитного поля $\Phi=\left(L_1-\displaystyle\frac{L^2_\text{вз}}{L}\right)I$, пронизывающего соленоид, сохраняется при его перемещении.
Для энергии магнитного поля получим:
$$E=\displaystyle\frac{\Phi^2}{2\left(L_1-\displaystyle\frac{L^2_\text{вз}}{L}\right)}{.}
$$
При перемещении соленоида изменение энергии системы равняется
$$dE=\frac{\Phi^2}{\left(L_1-\displaystyle\frac{L^2_\text{вз}}{L}\right)^2}\frac{L_\text{вз}dL_\text{вз}}{L}=\displaystyle\frac{I^2L_\text{вз}dL_\text{вз}}{L}{.}
$$
Тогда для силы, действующей на соленоид со стороны витка, получим:
$$F_x=-\displaystyle\frac{dE}{dx}=-\displaystyle\frac{I^2L_\text{вз}}{L}\cfrac{dL_\text{вз}}{dx}{.}
$$
Подставляя $L_\text{вз}$ и $dL_\text{вз}$ (см. третье решение) в выражение для $F_x$, находим: