Gọi hình vuông ABCD có cạnh bằng a.
Xét các lực tương tác giữa các điện tích điểm q tác dụng lên điện tích điểm q0:
- Khoảng cách từ q0 đến mỗi điện tích điểm q đều bằng nhau nên độ lớn lực tương tác giữa mỗi điện tích điểm q lên q0 là bằng nhau.
- Hai điện tích điểm tại A,C luôn tác dụng lên q0 lực tương tác có cùng phương, ngược chiều nên hợp lực của hai lực bằng 0.
- Hai điện tích điểm tại B,D luôn tác dụng lên q0 lực tương tác có cùng phương, ngược chiều nên hợp lực của hai lực bằng 0.
→ Hợp lực của các lực tương tác giữa các điện tích lên q0 bằng 0
→ Điện tích điểm q0 luôn cân bằng tại vị trí tâm hình vuông.
Xét các lực tương tác giữa các điện tích điểm q tại A,B,C và q0 tác dụng lên điện tích điểm q tại D lần lượt là \(\overrightarrow{F_1},\overrightarrow{F_2},\overrightarrow{F_3},\overrightarrow{F_0}\)
Ta có \(F_1=F_3=\dfrac{kq^2}{a^2}\)
\(F_2=\dfrac{kq^2}{\left(a\sqrt{2}\right)^2}=\dfrac{kq^2}{2a^2}\)
\(F_0=\dfrac{k\left|q_0q\right|}{\left(\dfrac{a\sqrt{2}}{2}\right)^2}=\dfrac{2k\left|q_0q\right|}{a^2}\)
Để điện tích điểm q tại D cân bằng thì: \(\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}+\overrightarrow{F_3}+\overrightarrow{F_4}=\overrightarrow{0}\)
Theo phương AC: \(F_1cos45^o=F_3cos45^o\) (thoả mãn)
Theo phương BD: \(\overrightarrow{F_0}\) có chiều từ D đến tâm hình vuông nên lực tương tác giữa q0 và q là lực hút.
→ q0 mang điện tích âm.
\(F_0=F_2+F_3sin45^o+F_1sin45^o\)
\(\Leftrightarrow\dfrac{2k\left|q_0q\right|^2}{a^2}=\dfrac{kq^2}{2a^2}+2\cdot\dfrac{kq^2}{a^2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2}}\)
\(\Leftrightarrow\dfrac{-2kq_0q}{a^2}=\left(\dfrac{1}{2}+\sqrt{2}\right)\cdot\dfrac{kq^2}{a^2}\)
\(\Leftrightarrow q_0=-\left(\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{\sqrt{2}}\right)\cdot q=-\left(\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{\sqrt{2}}\right)\cdot2=-1,914\left(\mu C\right)\)