Содержание курса

Почвоведение: системный подход

Задача № 30

Одинаковые точечные заряды  находятся в вершинах квадрата. Какой заряд нужно поместить в центр квадрата, чтобы вся система находилась в равновесии?

Решение

Равновесие означает, что сумма всех сил, действующих на каждый заряд, равна нулю. Это означает, что в каждой точке, где находится заряд, результирующая напряжённость электрического поля равна нулю. 

Рассмотрим результирующую напряжённость  от трёх зарядов, создаваемую в точке нахождения четвёртого заряда. Заряд, который должен быть помещён в центр квадрата, должен создавать точно такую же по модулю напряжённость, но направленную в сторону, противоположную . Поэтому в центре квадрата должен находиться отрицательный заряд.

Выберем произвольно точку наблюдения – любую вершину квадрата. Построим в этой точке три вектора.  – векторы напряжённости от зарядов, удалённых на расстояние, равное стороне квадрата.  – напряжённость от заряда, удалённого от точки наблюдения на расстояние, равное диагонали квадрата. Изобразим сумму векторов , модуль этой суммы будет в  раз больше, чем . Направление вектора  совпадает с направлением . Чтобы найти модуль суммы векторов  и , достаточно просто сложить модули этих векторов:

.

Каждая напряжённость в сумме может быть выражена по закону Кулона:

.

где  – сторона квадрата; в знаменателе во втором случае стоит длина диагонали квадрата.

.

Заряд, помещённый в центре квадрата, должен создавать в точке наблюдения поле с такой же по модулю напряжённостью, причём эта напряжённость может быть выражена по закону Кулона:

.

В левой части в знаменателе стоит половина диагонали квадрата. После сокращения одинаковых множителей получим:

.

Окончательно для модуля заряда получим:

.

Знак заряда должен быть противоположен знаку зарядов, лежащих в вершинах квадрата.

Ответ: .


Следующая страница: Задача № 31
Предыдущая страница: Задача № 29