Manuel pour apprendre l’électronique de A à Z
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...
Le courant électrique
Chaque jour, nous profitons des bienfaits du courant électrique. Le secteur 220 volts fournit le courant nécessaire pour allumer les lampes de la maison, faire fonctionner le réfrigérateur, la télévision ou l’ordinateur. Les piles nous fournissent le courant nécessaire pour écouter notre baladeur ou pour téléphoner avec notre portable. Le courant électrique ne s’obtient qu’en mettant en mouvement les électrons. Pour comprendre ce phénomène il faut nécessairement parler de l’atome.
L’atome, pour celui qui l’ignorerait encore, est constitué d’un noyau constitué de protons (de charge positive) et de neutrons (de charge neutre). Autour de ce noyau tournent, à la vitesse de la lumière (c’est-à-dire à 300 000 km par seconde) des électrons (de charge négative). La figure 1 est explicite. On pourrait comparer l’atome à un système planétaire miniaturisé avec au centre le soleil (noyau de protons) et autour de nombreuses planètes (électrons) qui seraient en orbite.
Les électrons négatifs sont maintenus en orbite par les protons positifs comme le montre la figure 2. Chaque atome, selon l’élément auquel il appartient, possède un nombre bien défini de protons et d’électrons. Par exemple, l’atome d’hydrogène possède un seul proton et un seul électron (figure 3). L’atome de bore possède 5 protons et 5 électrons (figure 4), l’atome de cuivre possède 29 protons et 29 électrons, tandis que l’atome d’argent possède 47 protons et 47 électrons. Plus le nombre d’électrons présents dans un atome est grand, plus le nombre d’orbites qui tournent autour de son noyau est important. Les électrons qui tournent très près du noyau sont appelés électrons liés car ils sont difficiles à arracher de leur orbite.
Les électrons qui tournent dans les orbites les plus éloignées sont appelés électrons libres car on réussit sans difficulté à les soustraire à leurs orbites pour les insérer dans un autre atome. Ce déplacement d’électrons d’un atome à un autre peut s’obtenir avec un mouvement mécanique (dynamo - alternateur) ou avec une réaction chimique (piles - accumulateurs). Si on retire des électrons à un atome, celui-ci prend une polarité positive, car le nombre de protons devient plus important que le nombre d’électrons (voir figure 7). Si on introduit des électrons libres dans un atome, celui-ci prend une polarité négative car le nombre d’électrons devient plus important que le nombre de protons (voir figure 8). Deux bornes dépassent toujours d’une pile, l’une marquée d’un signe positif (excès de protons) et l’autre marquée d’un signe négatif (excès d’électrons). Si on relie ces deux bornes avec un fil conducteur (par exemple le cuivre), les électrons seront attirés par les protons et ce mouvement d’électrons générera un courant électrique (voir figure 10) qui ne cessera que lorsqu’un parfait équilibre entre protons et électrons se sera rétabli dans les atomes.
Nombreux sont ceux qui considèrent que le flux du courant électrique va du positif vers le négatif. Au contraire, le flux du courant électrique va toujours du négatif vers le positif car ce sont les protons qui attirent les électrons pour équilibrer leurs atomes et non l’inverse. Pour comprendre le mouvement de ce flux d’électrons, on peut se servir de deux éléments très connus : l’eau et l’air. On peut associer les électrons négatifs à l’eau et les protons positifs à l’air. Si on prend deux récipients pleins d’air (charge positive) et si on les relie entre eux avec un tube, il n’y aura aucun flux car dans chacun de ces récipients il manquera l’élément opposé, c’est-àdire l’eau (voir figure 11). Même si on relie entre-eux deux récipients pleins d’eau (charge négative), il n’y aura aucun flux dans le tube car il n’existe pas de déséquilibre eau/air (voir figure 12). Si, par contre, on relie un récipient plein d’air (polarité positive) à un autre plein d’eau (polarité négative), on obtiendra un flux d’eau du récipient plein vers le vide (voir figure 13) qui ne cessera que lorsque les deux récipients auront atteint le même niveau (voir figure 14).
Le mouvement des électrons peut être utilisé pour produire de la chaleur en les faisant passer à travers une résistance (radiateurs électriques, fer à souder, etc.), pour produire de la lumière en le faisant passer à travers le filament d’une ampoule ou encore, pour réaliser des électro-aimants en le faisant passer dans une bobine enroulée sur un morceau de fer (relais, télérupteurs). Pour conclure, on peut affirmer que le courant électrique est un mouvement d’électrons attirés par des protons. Une fois que chaque atome aura équilibré ses protons avec les électrons manquants, il n’y aura plus aucun courant électrique.
LA TENSION unité de mesure VOLT
N’importe quelle pile a une électrode positive et une électrode négative car à l’intérieur de son corps il existe un déséquilibre d’électrons. Ce déséquilibre de charges positives et négatives génère une tension qui se mesure en volt. Une pile de 9 volts a un déséquilibre d’électrons 6 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt, en effet, en multipliant 1,5 x 6 on obtient 9 volts (voir figures 15 et 16). Une pile de 12 volts aura un déséquilibre d’électrons 8 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt. Pour vous expliquer l’importance de cette différence, nous utiliserons encore les éléments eau - air. Une pile de 1,5 volt peut être comparée à deux récipients peu profonds : l’un plein d’eau (négatif) et l’autre plein d’air (positif). Si on les relie entre eux, on aura un flux d’eau très modeste parce que la différence de potentiel s’avère toute aussi réduite (voir figure 13). Une pile de 9 volts est comparable à un récipient dont la profondeur s’avère être 6 fois plus grande que celle du récipient de 1,5 volt, par conséquent, si l’on relie entre eux le récipient négatif et le récipient positif on aura un flux d’eau supérieur en raison d’une différence de potentiel plus importante.
Comme pour les mesures de poids, qui peuvent être exprimées en kilogrammes
- quintaux - tonnes et en hectogrammes
- grammes - milligrammes, l’unité de mesure volt peut aussi être exprimée avec ses multiples appelés :
- kilovolt
- mégavolt
ou bien alors avec ses sous-multiples appelés :
- millivolt
- microvolt
- nanovolt
Vous avez probablement souvent entendu parler de tensions continues et de tensions alternatives, mais avant de vous expliquer ce qui les différencie l’une de l’autre, il faut savoir que :
- la tension continue est fournie par : des piles
- des accumulateurs - des cellules solaires
- la tension alternative est fournie par : des alternateurs - des transformateurs
En alimentant une ampoule avec une tension alternative de 12 volts, fournie par un alternateur ou un transformateur (voir figure 20), ce n’est plus un fil négatif et un fil positif que nous aurons mais alternativement l’un ou l’autre car la polarité changera continuellement. Cela revient à dire que, successivement (alternativement) circulera dans chaque fil une tension négative qui deviendra positive pour redevenir négative, puis à nouveau positive, etc. Donc, les électrons circuleront tantôt dans un sens, tantôt dans le sens opposé. L’inversion de polarité sur les deux fils n’intervient pas brusquement — c’est-à-dire qu’il n’y a pas une inversion soudaine de polarité de 12 volts positifs à 12 volts négatifs ou vice-versa — mais de façon progressive.
…
Cela signifie que la valeur d’une tension alternative commence à une valeur de 0 volt pour augmenter progressivement à 1, 2, 3, etc. volts positifs jusqu’à atteindre son maximum positif de 12 volts, puis elle commence à redescendre à 11, 10, 9, etc. volts positifs jusqu’à revenir à la valeur initiale de 0 volt. A ce point, sa polarité s’inverse et, toujours de façon progressive, augmente à 1, 2, 3, etc. volts négatifs jusqu’à atteindre son maximum négatif de 12 volts, puis elle commence à redescendre à 11, 10, 9, etc. volts négatifs, jusqu’à retourner à la valeur de départ de 0 volt (voir figure 26). Ce cycle du positif au négatif se répète à l’infini.
Une fois de plus, nous allons vous expliquer la différence qui existe entre une tension « continue » et une tension « alternative », avec un exemple hydraulique et pour ce faire, nous utiliserons nos récipients, l’un plein d’eau (pôle négatif) et l’autre plein d’air (pôle positif). Pour simuler la tension continue on relie les deux récipients comme sur la figure 21. L’eau s’écoulera vers le récipient vide, et lorsqu’elle aura atteint le même niveau dans les deux récipients, le déplacement de l’eau cessera. De la même façon, dans une pile ou dans un accumulateur, les électrons négatifs en excès afflueront toujours vers le pôle positif, et lorsque sera atteint un parfait équilibre entre les charges positives et les charges négatives, ce flux cessera. Une fois que cet équilibre est atteint, il n’y a plus de déplacement d’électrons, la pile ne réussissant plus à fournir de courant électrique. Elle est alors considérée comme déchargée.
Quand une pile est déchargée on la jette (pas n’importe où mais dans les récipients prévus à cet effet !), à la différence d’un accumulateur qui, lorsqu’il est déchargé, peut être rechargé en étant relié à un générateur de tension externe, qui se chargera de créer à nouveau le déséquilibre initial entre électrons et protons. Pour simuler la tension alternative, on utilise toujours les deux récipients, que l’on place, cette fois, sur un plan en bascule (voir figure 22). Une main invisible placera celui plein d’eau (polarité négative) en position surélevée par rapport à l’autre qui est vide (polarité positive).
Tout d’abord, l’eau s’écoulera vers le récipient vide et lorsque le flux cessera, on aura le récipient de gauche vide (polarité positive), et celui de droite plein d’eau (polarité négative). A ce point, la « main invisible » soulèvera le récipient de droite en faisant écouler l’eau dans le sens inverse jusqu’à remplir le récipient de gauche, et une fois qu’il se sera rempli, cette même main le soulèvera encore pour inverser à nouveau le flux de l’eau (voir figure 25).
De cette façon, l’eau s’écoulera dans le tube reliant les deux récipients, d’abord dans un sens, puis dans le sens opposé.
LA FREQUENCE unité de mesure le HERTZ
Dans la figure 26 nous montrons le graphique d’une période de la tension alternative qui, comme vous pouvez le voir, représente une sinusoïde composée d’une alternance positive et d’une alternance négative. On appelle fréquence, le nombre des sinusoïdes qui se répètent en l’espace d’une seconde. On l’exprime avec le symbole Hz, qui signifie Hertz. Si vous observez l’étiquette qui figure sur le compteur de votre habitation, vous y trouverez l’indication 50 Hz. Ce nombre sert à indiquer que la tension que nous utilisons pour allumer nos lampes change de polarité 50 fois en 1 seconde.
Une variation de 50 fois en 1 seconde est tellement rapide que notre œil ne réussira jamais à remarquer la valeur croissante ou décroissante des alternances. En mesurant cette tension avec un voltmètre, l’aiguille ne déviera jamais d’un minimum à un maximum, car les variations sont trop rapides par rapport à l’inertie de l’aiguille. Seul un oscilloscope nous permet de visualiser sur son écran cette forme d’onde (voir figure 30).
LE COURANT unité de mesure l’AMPERE
On appelle le mouvement des électrons de l’électrode négative vers l’électrode positive, le courant. Il se mesure en ampères. A titre d’information il plaira aux plus curieux de savoir qu’1 ampère correspond à : 6 250 000 000 000 000 000 électrons! qui se déplacent du pôle négatif vers le pôle positif en l’espace d’1 seconde.
Le courant ne dépend en aucune façon de la valeur de la tension. On peut donc prélever 1 ampère aussi bien d’une pile de 1,5 volt que d’une pile de 9 volts, d’une batterie de voiture de 12 volts ou encore de la tension secteur de 220 volts. Pour mieux comprendre la différence existant entre volt et ampère, nous utiliserons à nouveau l’eau. Si nous relions le réservoir négatif et le réservoir positif avec un tube de petit diamètre (voir figure 31), le flux d’eau s’écoulera lentement, et puisqu’il est possible de comparer ce flux à un nombre d’électrons en transit, on peut donc affirmer que quand il passe peu d’eau dans le tube, dans le circuit électrique s’écoulent peu d’ampères. Si nous relions les deux réservoirs avec un tube de diamètre plus important (voir figure 32), le flux d’eau augmentera, c’est-à-dire que dans le circuit s’écouleront plus d’électrons et donc plus d’ampères.
Comme le volt, l’ampère a ses sousmultiples, appelés :
- milliampère
- microampère
- nanoampère
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Le courant électrique
Chaque jour, nous profitons des bienfaits du courant électrique. Le secteur 220 volts fournit le courant nécessaire pour allumer les lampes de la maison, faire fonctionner le réfrigérateur, la télévision ou l’ordinateur. Les piles nous fournissent le courant nécessaire pour écouter notre baladeur ou pour téléphoner avec notre portable. Le courant électrique ne s’obtient qu’en mettant en mouvement les électrons. Pour comprendre ce phénomène il faut nécessairement parler de l’atome.
L’atome, pour celui qui l’ignorerait encore, est constitué d’un noyau constitué de protons (de charge positive) et de neutrons (de charge neutre). Autour de ce noyau tournent, à la vitesse de la lumière (c’est-à-dire à 300 000 km par seconde) des électrons (de charge négative). La figure 1 est explicite. On pourrait comparer l’atome à un système planétaire miniaturisé avec au centre le soleil (noyau de protons) et autour de nombreuses planètes (électrons) qui seraient en orbite.
Les électrons négatifs sont maintenus en orbite par les protons positifs comme le montre la figure 2. Chaque atome, selon l’élément auquel il appartient, possède un nombre bien défini de protons et d’électrons. Par exemple, l’atome d’hydrogène possède un seul proton et un seul électron (figure 3). L’atome de bore possède 5 protons et 5 électrons (figure 4), l’atome de cuivre possède 29 protons et 29 électrons, tandis que l’atome d’argent possède 47 protons et 47 électrons. Plus le nombre d’électrons présents dans un atome est grand, plus le nombre d’orbites qui tournent autour de son noyau est important. Les électrons qui tournent très près du noyau sont appelés électrons liés car ils sont difficiles à arracher de leur orbite.
Les électrons qui tournent dans les orbites les plus éloignées sont appelés électrons libres car on réussit sans difficulté à les soustraire à leurs orbites pour les insérer dans un autre atome. Ce déplacement d’électrons d’un atome à un autre peut s’obtenir avec un mouvement mécanique (dynamo - alternateur) ou avec une réaction chimique (piles - accumulateurs). Si on retire des électrons à un atome, celui-ci prend une polarité positive, car le nombre de protons devient plus important que le nombre d’électrons (voir figure 7). Si on introduit des électrons libres dans un atome, celui-ci prend une polarité négative car le nombre d’électrons devient plus important que le nombre de protons (voir figure 8). Deux bornes dépassent toujours d’une pile, l’une marquée d’un signe positif (excès de protons) et l’autre marquée d’un signe négatif (excès d’électrons). Si on relie ces deux bornes avec un fil conducteur (par exemple le cuivre), les électrons seront attirés par les protons et ce mouvement d’électrons générera un courant électrique (voir figure 10) qui ne cessera que lorsqu’un parfait équilibre entre protons et électrons se sera rétabli dans les atomes.
Nombreux sont ceux qui considèrent que le flux du courant électrique va du positif vers le négatif. Au contraire, le flux du courant électrique va toujours du négatif vers le positif car ce sont les protons qui attirent les électrons pour équilibrer leurs atomes et non l’inverse. Pour comprendre le mouvement de ce flux d’électrons, on peut se servir de deux éléments très connus : l’eau et l’air. On peut associer les électrons négatifs à l’eau et les protons positifs à l’air. Si on prend deux récipients pleins d’air (charge positive) et si on les relie entre eux avec un tube, il n’y aura aucun flux car dans chacun de ces récipients il manquera l’élément opposé, c’est-àdire l’eau (voir figure 11). Même si on relie entre-eux deux récipients pleins d’eau (charge négative), il n’y aura aucun flux dans le tube car il n’existe pas de déséquilibre eau/air (voir figure 12). Si, par contre, on relie un récipient plein d’air (polarité positive) à un autre plein d’eau (polarité négative), on obtiendra un flux d’eau du récipient plein vers le vide (voir figure 13) qui ne cessera que lorsque les deux récipients auront atteint le même niveau (voir figure 14).
Le mouvement des électrons peut être utilisé pour produire de la chaleur en les faisant passer à travers une résistance (radiateurs électriques, fer à souder, etc.), pour produire de la lumière en le faisant passer à travers le filament d’une ampoule ou encore, pour réaliser des électro-aimants en le faisant passer dans une bobine enroulée sur un morceau de fer (relais, télérupteurs). Pour conclure, on peut affirmer que le courant électrique est un mouvement d’électrons attirés par des protons. Une fois que chaque atome aura équilibré ses protons avec les électrons manquants, il n’y aura plus aucun courant électrique.
LA TENSION unité de mesure VOLT
N’importe quelle pile a une électrode positive et une électrode négative car à l’intérieur de son corps il existe un déséquilibre d’électrons. Ce déséquilibre de charges positives et négatives génère une tension qui se mesure en volt. Une pile de 9 volts a un déséquilibre d’électrons 6 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt, en effet, en multipliant 1,5 x 6 on obtient 9 volts (voir figures 15 et 16). Une pile de 12 volts aura un déséquilibre d’électrons 8 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt. Pour vous expliquer l’importance de cette différence, nous utiliserons encore les éléments eau - air. Une pile de 1,5 volt peut être comparée à deux récipients peu profonds : l’un plein d’eau (négatif) et l’autre plein d’air (positif). Si on les relie entre eux, on aura un flux d’eau très modeste parce que la différence de potentiel s’avère toute aussi réduite (voir figure 13). Une pile de 9 volts est comparable à un récipient dont la profondeur s’avère être 6 fois plus grande que celle du récipient de 1,5 volt, par conséquent, si l’on relie entre eux le récipient négatif et le récipient positif on aura un flux d’eau supérieur en raison d’une différence de potentiel plus importante.
Comme pour les mesures de poids, qui peuvent être exprimées en kilogrammes
- quintaux - tonnes et en hectogrammes
- grammes - milligrammes, l’unité de mesure volt peut aussi être exprimée avec ses multiples appelés :
- kilovolt
- mégavolt
ou bien alors avec ses sous-multiples appelés :
- millivolt
- microvolt
- nanovolt
Vous avez probablement souvent entendu parler de tensions continues et de tensions alternatives, mais avant de vous expliquer ce qui les différencie l’une de l’autre, il faut savoir que :
- la tension continue est fournie par : des piles
- des accumulateurs - des cellules solaires
- la tension alternative est fournie par : des alternateurs - des transformateurs
En alimentant une ampoule avec une tension alternative de 12 volts, fournie par un alternateur ou un transformateur (voir figure 20), ce n’est plus un fil négatif et un fil positif que nous aurons mais alternativement l’un ou l’autre car la polarité changera continuellement. Cela revient à dire que, successivement (alternativement) circulera dans chaque fil une tension négative qui deviendra positive pour redevenir négative, puis à nouveau positive, etc. Donc, les électrons circuleront tantôt dans un sens, tantôt dans le sens opposé. L’inversion de polarité sur les deux fils n’intervient pas brusquement — c’est-à-dire qu’il n’y a pas une inversion soudaine de polarité de 12 volts positifs à 12 volts négatifs ou vice-versa — mais de façon progressive.
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Cela signifie que la valeur d’une tension alternative commence à une valeur de 0 volt pour augmenter progressivement à 1, 2, 3, etc. volts positifs jusqu’à atteindre son maximum positif de 12 volts, puis elle commence à redescendre à 11, 10, 9, etc. volts positifs jusqu’à revenir à la valeur initiale de 0 volt. A ce point, sa polarité s’inverse et, toujours de façon progressive, augmente à 1, 2, 3, etc. volts négatifs jusqu’à atteindre son maximum négatif de 12 volts, puis elle commence à redescendre à 11, 10, 9, etc. volts négatifs, jusqu’à retourner à la valeur de départ de 0 volt (voir figure 26). Ce cycle du positif au négatif se répète à l’infini.
Une fois de plus, nous allons vous expliquer la différence qui existe entre une tension « continue » et une tension « alternative », avec un exemple hydraulique et pour ce faire, nous utiliserons nos récipients, l’un plein d’eau (pôle négatif) et l’autre plein d’air (pôle positif). Pour simuler la tension continue on relie les deux récipients comme sur la figure 21. L’eau s’écoulera vers le récipient vide, et lorsqu’elle aura atteint le même niveau dans les deux récipients, le déplacement de l’eau cessera. De la même façon, dans une pile ou dans un accumulateur, les électrons négatifs en excès afflueront toujours vers le pôle positif, et lorsque sera atteint un parfait équilibre entre les charges positives et les charges négatives, ce flux cessera. Une fois que cet équilibre est atteint, il n’y a plus de déplacement d’électrons, la pile ne réussissant plus à fournir de courant électrique. Elle est alors considérée comme déchargée.
Quand une pile est déchargée on la jette (pas n’importe où mais dans les récipients prévus à cet effet !), à la différence d’un accumulateur qui, lorsqu’il est déchargé, peut être rechargé en étant relié à un générateur de tension externe, qui se chargera de créer à nouveau le déséquilibre initial entre électrons et protons. Pour simuler la tension alternative, on utilise toujours les deux récipients, que l’on place, cette fois, sur un plan en bascule (voir figure 22). Une main invisible placera celui plein d’eau (polarité négative) en position surélevée par rapport à l’autre qui est vide (polarité positive).
Tout d’abord, l’eau s’écoulera vers le récipient vide et lorsque le flux cessera, on aura le récipient de gauche vide (polarité positive), et celui de droite plein d’eau (polarité négative). A ce point, la « main invisible » soulèvera le récipient de droite en faisant écouler l’eau dans le sens inverse jusqu’à remplir le récipient de gauche, et une fois qu’il se sera rempli, cette même main le soulèvera encore pour inverser à nouveau le flux de l’eau (voir figure 25).
De cette façon, l’eau s’écoulera dans le tube reliant les deux récipients, d’abord dans un sens, puis dans le sens opposé.
LA FREQUENCE unité de mesure le HERTZ
Dans la figure 26 nous montrons le graphique d’une période de la tension alternative qui, comme vous pouvez le voir, représente une sinusoïde composée d’une alternance positive et d’une alternance négative. On appelle fréquence, le nombre des sinusoïdes qui se répètent en l’espace d’une seconde. On l’exprime avec le symbole Hz, qui signifie Hertz. Si vous observez l’étiquette qui figure sur le compteur de votre habitation, vous y trouverez l’indication 50 Hz. Ce nombre sert à indiquer que la tension que nous utilisons pour allumer nos lampes change de polarité 50 fois en 1 seconde.
Une variation de 50 fois en 1 seconde est tellement rapide que notre œil ne réussira jamais à remarquer la valeur croissante ou décroissante des alternances. En mesurant cette tension avec un voltmètre, l’aiguille ne déviera jamais d’un minimum à un maximum, car les variations sont trop rapides par rapport à l’inertie de l’aiguille. Seul un oscilloscope nous permet de visualiser sur son écran cette forme d’onde (voir figure 30).
LE COURANT unité de mesure l’AMPERE
On appelle le mouvement des électrons de l’électrode négative vers l’électrode positive, le courant. Il se mesure en ampères. A titre d’information il plaira aux plus curieux de savoir qu’1 ampère correspond à : 6 250 000 000 000 000 000 électrons! qui se déplacent du pôle négatif vers le pôle positif en l’espace d’1 seconde.
Le courant ne dépend en aucune façon de la valeur de la tension. On peut donc prélever 1 ampère aussi bien d’une pile de 1,5 volt que d’une pile de 9 volts, d’une batterie de voiture de 12 volts ou encore de la tension secteur de 220 volts. Pour mieux comprendre la différence existant entre volt et ampère, nous utiliserons à nouveau l’eau. Si nous relions le réservoir négatif et le réservoir positif avec un tube de petit diamètre (voir figure 31), le flux d’eau s’écoulera lentement, et puisqu’il est possible de comparer ce flux à un nombre d’électrons en transit, on peut donc affirmer que quand il passe peu d’eau dans le tube, dans le circuit électrique s’écoulent peu d’ampères. Si nous relions les deux réservoirs avec un tube de diamètre plus important (voir figure 32), le flux d’eau augmentera, c’est-à-dire que dans le circuit s’écouleront plus d’électrons et donc plus d’ampères.
Comme le volt, l’ampère a ses sousmultiples, appelés :
- milliampère
- microampère
- nanoampère
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