Tiene la resistividad más baja. Resistividad y otras propiedades del cobre

La corriente eléctrica I en cualquier sustancia es creada por el movimiento de partículas cargadas en una cierta dirección debido a la aplicación de energía externa (diferencia de potencial U). Cada sustancia tiene propiedades individuales que afectan el paso de corriente en ella de diferentes maneras. Estas propiedades son evaluadas por la resistencia eléctrica R.

Georg Ohm determinó empíricamente los factores que influyen en la magnitud de la resistencia eléctrica de una sustancia, deducida del voltaje y la corriente, que lleva su nombre. La unidad de medida de la resistencia en el sistema internacional SI lleva su nombre. 1 Ohm es el valor de la resistencia medida a una temperatura de 0 ° C en una columna de mercurio homogénea de 106,3 cm de largo con un área de sección transversal de 1 mm 2.

Definición

Con el fin de evaluar y poner en práctica materiales para la fabricación de dispositivos eléctricos, el término "resistividad del conductor". El adjetivo agregado "específico" se refiere al factor de utilizar el valor de volumen de referencia adoptado para la sustancia en cuestión. Esto hace posible evaluar los parámetros eléctricos de diferentes materiales.

Al mismo tiempo, se tiene en cuenta que la resistencia del conductor aumenta con el aumento de su longitud y la disminución de su sección transversal. El sistema SI utiliza el volumen de un conductor homogéneo con una longitud de 1 metro y una sección transversal de 1 m 2. En los cálculos técnicos, se utiliza una unidad de volumen fuera del sistema obsoleta pero conveniente, que consta de una longitud de 1 metro y un área de 1 mm 2. La fórmula para la resistividad ρ se muestra en la figura.

Para determinar las propiedades eléctricas de las sustancias, se introduce otra característica: conductividad específica b. Es inversamente proporcional al valor de la resistividad, determina la capacidad del material para conducir la corriente eléctrica: b = 1/ρ.

¿Cómo depende la resistividad de la temperatura?

La conductividad de un material se ve afectada por su temperatura. Los diferentes grupos de sustancias se comportan de manera diferente cuando se calientan o se enfrían. Esta propiedad se tiene en cuenta en los cables eléctricos que funcionan al aire libre con calor y frío.

El material y la resistividad del cable se seleccionan teniendo en cuenta las condiciones de su funcionamiento.

El aumento en la resistencia de los conductores al paso de la corriente durante el calentamiento se explica por el hecho de que con un aumento en la temperatura del metal en él, aumenta la intensidad del movimiento de los átomos y los portadores de cargas eléctricas en todas las direcciones, lo que crea obstáculos innecesarios para el movimiento de partículas cargadas en una dirección, reduce la magnitud de su flujo.

Si se reduce la temperatura del metal, entonces mejoran las condiciones para el paso de la corriente. Cuando se enfría a una temperatura crítica, el fenómeno de la superconductividad aparece en muchos metales, cuando su resistencia eléctrica es prácticamente nula. Esta propiedad es muy utilizada en electroimanes potentes.

La influencia de la temperatura sobre la conductividad de un metal es aprovechada por la industria eléctrica en la fabricación de lámparas incandescentes ordinarias. Durante el paso de la corriente, se calientan hasta tal punto que emite un flujo luminoso. En condiciones normales, la resistencia específica del nicromo es de aproximadamente 1,05 ÷ 1,4 (ohm ∙ mm 2) / m.

Cuando se enciende la bombilla, una gran corriente pasa a través del filamento, lo que calienta el metal muy rápidamente. Al mismo tiempo, aumenta la resistencia del circuito eléctrico, limitando la corriente inicial al valor nominal necesario para obtener iluminación. De esta forma se realiza una sencilla regulación de la intensidad de la corriente a través de una espiral de nicromo, no siendo necesario el uso de complejos balastos utilizados en LED y fuentes luminiscentes.

Cómo se usa la resistividad de los materiales en ingeniería

Los metales nobles no ferrosos tienen mejores propiedades de conductividad eléctrica. Por lo tanto, los contactos críticos en los dispositivos eléctricos están hechos de plata. Pero esto aumenta el costo final de todo el producto. La opción más aceptable es utilizar metales más baratos. Por ejemplo, la resistividad del cobre, igual a 0,0175 (ohm ∙ mm 2) / m, es bastante adecuada para tales fines.

metales nobles- oro, plata, platino, paladio, iridio, rodio, rutenio y osmio, llamados así principalmente por su alta resistencia química y su bella apariencia en joyería. Además, el oro, la plata y el platino tienen una alta ductilidad, mientras que los metales del grupo del platino tienen un alto punto de fusión y, como el oro, inercia química. Estas ventajas de los metales nobles se combinan.

Las aleaciones de cobre con buena conductividad se usan para hacer derivaciones que limitan el flujo de corrientes altas a través del cabezal de medición de los amperímetros de alta potencia.

La resistencia específica del aluminio 0,026 ÷ 0,029 (ohm ∙ mm 2) / m es ligeramente superior a la del cobre, pero la producción y coste de este metal es inferior. Además, es más fácil. Esto explica su uso generalizado en el sector energético para la fabricación de hilos y núcleos de cables para exteriores.

La resistencia específica del hierro 0,13 (ohm ∙ mm 2)/m también permite su uso para la transmisión de corriente eléctrica, pero en este caso hay grandes pérdidas de potencia. Las aleaciones de acero tienen mayor resistencia. Por lo tanto, los hilos de acero se entretejen en los cables aéreos de aluminio de las líneas eléctricas de alto voltaje, que están diseñados para soportar esfuerzos de tracción.

Esto es especialmente cierto cuando se forma hielo en los cables o en fuertes ráfagas de viento.

Algunas aleaciones, por ejemplo, la constantina y la niquelina, tienen características resistivas térmicamente estables en un cierto rango. En la niquelina, la resistividad eléctrica prácticamente no cambia de 0 a 100 grados centígrados. Por lo tanto, las espirales para reóstatos están hechas de níquel.

En los instrumentos de medición, se usa ampliamente la propiedad de un cambio estricto en los valores de la resistividad del platino a partir de su temperatura. Si pasa una corriente eléctrica a través de un conductor de platino desde una fuente de tensión estabilizada y se calcula el valor de la resistencia, indicará la temperatura del platino. Esto le permite calibrar la escala en grados, correspondientes a los valores de Ohm. Este método le permite medir la temperatura con una precisión de fracciones de grado.

A veces, para resolver problemas prácticos, es necesario saber impedancia o resistividad del cable. Para hacer esto, en los libros de referencia para productos de cable, se dan los valores de la resistencia inductiva y activa de un núcleo para cada valor de la sección transversal. Con su ayuda, se calculan las cargas admisibles, el calor generado, se determinan las condiciones de funcionamiento admisibles y se seleccionan las protecciones eficaces.

La conductividad específica de los metales está influenciada por la forma en que se procesan. El uso de presión para la deformación plástica rompe la estructura de la red cristalina, aumenta el número de defectos y aumenta la resistencia. Para reducirlo, se utiliza el recocido de recristalización.

El estiramiento o la compresión de los metales provoca una deformación elástica en ellos, a partir de la cual disminuyen las amplitudes de las oscilaciones térmicas de los electrones y la resistencia disminuye un poco.

Al diseñar sistemas de puesta a tierra, es necesario tener en cuenta. Tiene diferencias en la definición del método anterior y se mide en unidades del sistema SI - Ohm∙meter. Con su ayuda, se evalúa la calidad de la propagación de la corriente eléctrica dentro de la tierra.

La conductividad del suelo se ve afectada por muchos factores, incluida la humedad del suelo, la densidad del suelo, el tamaño de las partículas, la temperatura, las concentraciones de sales, ácidos y álcalis.

La resistividad eléctrica es una cantidad física que indica hasta qué punto un material puede resistir el paso de una corriente eléctrica a través de él. Algunas personas pueden confundir esta característica con la resistencia eléctrica ordinaria. A pesar de la similitud de los conceptos, la diferencia entre ellos radica en que el específico se refiere a las sustancias, y el segundo término se refiere exclusivamente a los conductores y depende del material de su fabricación.

El recíproco de este material es la conductividad eléctrica. Cuanto mayor sea este parámetro, mejor pasará la corriente a través de la sustancia. En consecuencia, cuanto mayor sea la resistencia, más pérdidas se esperan en la salida.

Fórmula de cálculo y valor de medición

Teniendo en cuenta en qué se mide la resistividad eléctrica, también es posible rastrear la conexión con lo no específico, ya que se utilizan unidades de ohm m para designar el parámetro. El valor en sí se denota como ρ. Con este valor, es posible determinar la resistencia de una sustancia en un caso particular, en función de su tamaño. Esta unidad de medida corresponde al sistema SI, pero puede haber otras opciones. En tecnología, puede ver periódicamente la designación obsoleta Ohm mm 2 / m. Para convertir de este sistema al internacional, no necesitará usar fórmulas complejas, ya que 1 ohm mm 2 /m equivale a 10 -6 ohm m.

La fórmula de la resistividad eléctrica es la siguiente:

R= (ρ l)/S, donde:

• R es la resistencia del conductor;
• Ρ es la resistividad del material;
• l es la longitud del conductor;
• S es la sección transversal del conductor.

Dependencia de la temperatura

La resistencia eléctrica específica depende de la temperatura. Pero todos los grupos de sustancias se manifiestan de manera diferente cuando cambia. Esto debe tenerse en cuenta al calcular los cables que funcionarán en ciertas condiciones. Por ejemplo, en la calle, donde los valores de temperatura dependen de la temporada, los materiales necesarios son menos susceptibles a los cambios en el rango de -30 a +30 grados centígrados. Si se planea usarlo en una técnica que funcionará en las mismas condiciones, aquí también es necesario optimizar el cableado para parámetros específicos. El material siempre se selecciona teniendo en cuenta la operación.

En la tabla nominal, la resistividad eléctrica se toma a una temperatura de 0 grados centígrados. El aumento de este parámetro cuando se calienta el material se debe a que la intensidad del movimiento de los átomos en la sustancia comienza a aumentar. Los portadores de cargas eléctricas se dispersan caóticamente en todas las direcciones, lo que conduce a la creación de obstáculos en el movimiento de las partículas. La magnitud del flujo eléctrico se reduce.

A medida que la temperatura disminuye, las condiciones de flujo de corriente mejoran. Cuando se alcanza una determinada temperatura, que será diferente para cada metal, aparece la superconductividad, en la que la característica en cuestión casi llega a cero.

Las diferencias en los parámetros a veces alcanzan valores muy grandes. Aquellos materiales que tienen un alto rendimiento se pueden utilizar como aislantes. Ayudan a proteger el cableado de cortocircuitos y contacto humano involuntario. Algunas sustancias generalmente no son aplicables para la ingeniería eléctrica si tienen un valor alto de este parámetro. Otras propiedades pueden interferir con esto. Por ejemplo, la conductividad eléctrica del agua no será de gran importancia para esta esfera. Estos son los valores de algunas sustancias con índices altos.

Las sustancias con tasas bajas se usan más activamente en ingeniería eléctrica. A menudo, estos son metales que sirven como conductores. También muestran muchas diferencias. Para conocer la resistividad eléctrica del cobre u otros materiales, vale la pena mirar la tabla de referencia.

Resistencia eléctrica volumétrica específica

Este parámetro caracteriza la capacidad de pasar corriente a través del volumen de la sustancia. Para medir, es necesario aplicar un potencial de voltaje desde diferentes lados del material, cuyo producto se incluirá en el circuito eléctrico. Se alimenta con corriente con parámetros nominales. Después de pasar, se miden los datos de salida.

Uso en ingeniería eléctrica

Cambiar el parámetro a diferentes temperaturas se usa ampliamente en ingeniería eléctrica. El ejemplo más simple es una lámpara incandescente, donde se utiliza un filamento de nicromo. Cuando se calienta, comienza a brillar. Cuando la corriente pasa a través de él, comienza a calentarse. A medida que aumenta el calor, también lo hace la resistencia. En consecuencia, la corriente inicial que se necesitaba para obtener iluminación es limitada. Una bobina de nicromo, utilizando el mismo principio, puede convertirse en un regulador en varios dispositivos.

También se han utilizado ampliamente los metales preciosos, que tienen características adecuadas para la ingeniería eléctrica. Para circuitos críticos que requieren velocidad, se seleccionan contactos plateados. Tienen un costo elevado, pero dada la cantidad relativamente pequeña de materiales, su uso está bastante justificado. El cobre es inferior a la plata en conductividad, pero tiene un precio más asequible, por lo que se usa con más frecuencia para crear cables.

En condiciones en las que se pueden utilizar temperaturas extremadamente bajas, se utilizan superconductores. Para temperatura ambiente y uso exterior, no siempre son apropiados, ya que a medida que sube la temperatura, su conductividad comenzará a bajar, por lo que el aluminio, el cobre y la plata siguen siendo los líderes para tales condiciones.

En la práctica, se tienen en cuenta muchos parámetros, y este es uno de los más importantes. Todos los cálculos se llevan a cabo en la etapa de diseño, para lo cual se utilizan materiales de referencia.

A pesar de que este tema puede parecer bastante banal, en él responderé una pregunta muy importante sobre el cálculo de la pérdida de voltaje y el cálculo de las corrientes de cortocircuito. Creo que para muchos de ustedes esto será una gran revelación como lo fue para mí.

Recientemente estudié un GOST muy interesante:

GOST R 50571.5.52-2011 Instalaciones eléctricas de baja tensión. Parte 5-52. Selección e instalación de equipos eléctricos. Alambrado.

Este documento proporciona una fórmula para calcular la pérdida de voltaje y establece:

p es la resistividad de los conductores en condiciones normales, tomada igual a la resistividad a la temperatura en condiciones normales, es decir, 1,25 resistividad a 20 °C, o 0,0225 Ohm mm 2 / m para el cobre y 0,036 Ohm mm 2 / m para el aluminio;

No entendí nada =) Aparentemente, al calcular las pérdidas de voltaje y al calcular las corrientes de cortocircuito, debemos tener en cuenta la resistencia de los conductores, como en condiciones normales.

Vale la pena señalar que todos los valores tabulares se dan a una temperatura de 20 grados.

¿Cuáles son las condiciones normales? Pensé en 30 grados centígrados.

Recordemos la física y calculemos a qué temperatura la resistencia del cobre (aluminio) aumentará 1,25 veces.

R1=R0

R0 - resistencia a 20 grados centígrados;

R1 - resistencia a T1 grados Celsius;

T0 - 20 grados centígrados;

α \u003d 0.004 por grado Celsius (el cobre y el aluminio son casi iguales);

1,25=1+α (T1-T0)

Т1=(1,25-1)/α+Т0=(1,25-1)/0,004+20=82,5 grados centígrados.

Como puede ver, no son 30 grados en absoluto. Aparentemente, todos los cálculos deben realizarse a las temperaturas de cable máximas permitidas. La temperatura máxima de funcionamiento del cable es de 70-90 grados, según el tipo de aislamiento.

Para ser honesto, no estoy de acuerdo con esto, porque. esta temperatura corresponde prácticamente al modo de emergencia de la instalación eléctrica.

En mis programas, establecí la resistencia específica del cobre - 0.0175 Ohm mm 2 / m, y para el aluminio - 0.028 Ohm mm 2 / m.

Si recuerda, escribí que en mi programa para calcular corrientes de cortocircuito, el resultado es aproximadamente un 30% menor que los valores tabulares. Allí, la resistencia del bucle de fase cero se calcula automáticamente. Intenté encontrar el error pero no pude. Aparentemente, la imprecisión del cálculo radica en la resistividad que se utiliza en el programa. Y todos pueden preguntar la resistividad, por lo que no debería haber preguntas para el programa si especifica la resistividad del documento anterior.

Pero lo más probable es que tenga que hacer cambios en los programas para calcular las pérdidas de voltaje. Esto aumentará los resultados del cálculo en un 25%. Aunque en el programa ELÉCTRICO, las pérdidas de tensión son casi iguales a las mías.

Si esta es su primera vez en este blog, puede familiarizarse con todos mis programas en la página

¿Qué opinas, a qué temperatura se deben considerar las pérdidas de voltaje: a 30 o 70-90 grados? ¿Existe alguna normativa que responda a esta pregunta?

Una de las cantidades físicas utilizadas en ingeniería eléctrica es la resistividad eléctrica. Considerando la resistencia específica del aluminio, se debe recordar que este valor caracteriza la capacidad de una sustancia para impedir el paso de corriente eléctrica a través de ella.

Conceptos relacionados con la resistividad

El valor opuesto a la resistividad se llama conductividad o conductividad eléctrica. La resistencia eléctrica habitual es característica solo de un conductor, y la resistencia eléctrica específica es característica solo de una sustancia en particular.

Como regla general, este valor se calcula para un conductor que tiene una estructura uniforme. Para determinar los conductores eléctricos homogéneos, se utiliza la fórmula:

El significado físico de esta cantidad radica en cierta resistencia de un conductor homogéneo con cierta unidad de longitud y área de sección transversal. La unidad de medida es la unidad SI Ohm.m o la unidad fuera del sistema Ohm.mm2/m. La última unidad significa que un conductor de una sustancia homogénea, de 1 m de largo, con un área de sección transversal de 1 mm2, tendrá una resistencia de 1 ohm. Así, la resistividad de cualquier sustancia se puede calcular a partir de una sección de un circuito eléctrico de 1 m de longitud, cuya sección transversal será de 1 mm2.

Resistividad de diferentes metales.

Cada metal tiene sus propias características individuales. Si comparamos la resistividad del aluminio, por ejemplo, con el cobre, se puede notar que para el cobre este valor es 0.0175 Ohm.mm2 / m, y para el aluminio - 0.0271 Ohm.mm2 / m. Por lo tanto, la resistividad del aluminio es mucho mayor que la del cobre. De esto se deduce que la conductividad eléctrica es mucho mayor que la del aluminio.

Ciertos factores influyen en el valor de la resistividad de los metales. Por ejemplo, durante las deformaciones, se altera la estructura de la red cristalina. Debido a los defectos resultantes, aumenta la resistencia al paso de electrones en el interior del conductor. Por lo tanto, hay un aumento en la resistividad del metal.

La temperatura también tiene un efecto. Cuando se calientan, los nodos de la red cristalina comienzan a oscilar con más fuerza, aumentando así la resistividad. Actualmente, debido a la alta resistividad, los cables de aluminio están siendo reemplazados en todas partes por cables de cobre, que tienen una conductividad más alta.

La corriente eléctrica surge como resultado de cerrar el circuito con una diferencia de potencial en las terminales. Las fuerzas de campo actúan sobre los electrones libres y se mueven a lo largo del conductor. Durante este viaje, los electrones se encuentran con los átomos y les transfieren parte de su energía acumulada. Como resultado, su velocidad disminuye. Pero, debido a la influencia del campo eléctrico, vuelve a cobrar impulso. Por lo tanto, los electrones experimentan resistencia constantemente, por lo que la corriente eléctrica se calienta.

La propiedad de una sustancia de convertir electricidad en calor durante la acción de una corriente es resistencia eléctrica y se denota como R, su unidad de medida es Ohm. La cantidad de resistencia depende principalmente de la capacidad de varios materiales para conducir la corriente.
Por primera vez, el investigador alemán G. Ohm anunció resistencia.

Para descubrir la dependencia de la intensidad de la corriente con respecto a la resistencia, un físico famoso realizó muchos experimentos. Para los experimentos, utilizó varios conductores y obtuvo varios indicadores.
Lo primero que determinó G. Ohm fue que la resistividad depende de la longitud del conductor. Es decir, si aumentaba la longitud del conductor, también aumentaba la resistencia. Como resultado, se determinó que esta relación era directamente proporcional.

La segunda dependencia es el área de la sección transversal. Podría determinarse por una sección transversal del conductor. El área de la figura que se formó en el corte es el área de la sección transversal. Aquí la relación es inversamente proporcional. Es decir, cuanto mayor sea el área de la sección transversal, menor será la resistencia del conductor.

Y la tercera cantidad importante, de la que depende la resistencia, es el material. Como resultado del hecho de que Ohm usó diferentes materiales en los experimentos, encontró diferentes propiedades de resistencia. Todos estos experimentos e indicadores se resumieron en una tabla en la que se pueden ver los diferentes valores de la resistencia específica de varias sustancias.

Se sabe que los mejores conductores son los metales. ¿Qué metales son los mejores conductores? La tabla muestra que el cobre y la plata tienen la menor resistencia. El cobre se usa con más frecuencia debido a su menor costo, mientras que la plata se usa en los dispositivos más importantes y críticos.

Las sustancias con alta resistividad en la mesa no conducen bien la electricidad, lo que significa que pueden ser excelentes materiales aislantes. Las sustancias con esta propiedad en mayor medida son la porcelana y la ebonita.

En general, la resistividad eléctrica es un factor muy importante, porque al determinar su indicador, podemos saber de qué sustancia está hecho el conductor. Para hacer esto, es necesario medir el área de la sección transversal, averiguar la intensidad de la corriente con un voltímetro y un amperímetro, y también medir el voltaje. Así, encontraremos el valor de la resistividad y, utilizando la tabla, podremos llegar fácilmente a la sustancia. Resulta que la resistividad es como las huellas dactilares de una sustancia. Además, la resistividad es importante al planificar circuitos eléctricos largos: necesitamos conocer esta cifra para lograr un equilibrio entre longitud y área.

Existe una fórmula que determina que la resistencia es de 1 ohm, si a un voltaje de 1V, su intensidad de corriente es de 1A. Es decir, la resistencia de unidad de área y unidad de longitud, hecha de cierta sustancia, es la resistividad.

También se debe tener en cuenta que el índice de resistividad depende directamente de la frecuencia de la sustancia. Es decir, si tiene impurezas. Eso, la adición de solo uno por ciento de manganeso aumenta la resistencia de la sustancia más conductora, el cobre, tres veces.

Esta tabla muestra la resistividad eléctrica de algunas sustancias.

Materiales altamente conductivos

Cobre
Como hemos dicho, el cobre se usa con mayor frecuencia como conductor. Esto se debe no solo a su baja resistencia. El cobre tiene las ventajas de alta resistencia, resistencia a la corrosión, facilidad de uso y buena maquinabilidad. Los buenos grados de cobre son M0 y M1. En ellos, la cantidad de impurezas no supera el 0,1%.

El alto costo del metal y su escasez reciente anima a los fabricantes a utilizar aluminio como conductor. Además, se utilizan aleaciones de cobre con varios metales.
Aluminio
Este metal es mucho más liviano que el cobre, pero el aluminio tiene una alta capacidad calorífica y un punto de fusión. En este sentido, para llevarlo a un estado fundido, se requiere más energía que el cobre. Sin embargo, se debe tener en cuenta el hecho de la deficiencia de cobre.
En la producción de productos eléctricos, por regla general, se utiliza aluminio de grado A1. No contiene más del 0,5% de impurezas. Y el metal de mayor frecuencia es el grado de aluminio AB0000.
Hierro
El bajo costo y la disponibilidad del hierro se ven eclipsados ​​por su alta resistencia específica. Además, se corroe rápidamente. Por esta razón, los conductores de acero suelen estar recubiertos con zinc. El llamado bimetal es ampliamente utilizado: este es acero recubierto con cobre para protección.
Sodio
El sodio también es un material asequible y prometedor, pero su resistencia es casi tres veces mayor que la del cobre. Además, el sodio metálico tiene una alta actividad química, lo que hace necesario recubrir dicho conductor con protección hermética. También debe proteger al conductor de daños mecánicos, ya que el sodio es un material muy blando y bastante frágil.

Superconductividad
La siguiente tabla muestra la resistividad de las sustancias a una temperatura de 20 grados. La indicación de temperatura no es casual, ya que la resistividad depende directamente de este indicador. Esto se explica por el hecho de que cuando se calienta, la velocidad de los átomos también aumenta, lo que significa que también aumentará la probabilidad de que se encuentren con los electrones.

Es interesante lo que sucede con la resistencia en condiciones de enfriamiento. Por primera vez, G. Kamerling-Onnes observó el comportamiento de los átomos a temperaturas muy bajas en 1911. Enfrió el alambre de mercurio a 4K y encontró que su resistencia caía a cero. El físico llamó superconductividad al cambio en el índice de resistencia específico de algunas aleaciones y metales en condiciones de baja temperatura.

Los superconductores pasan al estado de superconductividad cuando se enfrían y sus características ópticas y estructurales no cambian. El principal descubrimiento es que las propiedades eléctricas y magnéticas de los metales en estado superconductor son muy diferentes de sus propias propiedades en estado ordinario, así como de las propiedades de otros metales, que no pueden pasar a este estado cuando se baja la temperatura.
El uso de superconductores se realiza principalmente en la obtención de un campo magnético superfuerte, cuya intensidad alcanza los 107 A/m. También se están desarrollando sistemas de líneas eléctricas superconductoras.

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