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


.
.
.