[PDF] ENERGIE LIBRE ET ENERGIE LIBRE ET CHARGE DE BATTERIE

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Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

DIPLOME D"ETUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

devant la commission d"examen composée de Président : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Rapporteur : Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences Examinateurs : Madame RAZANAMALALA Louise Aimée Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences

UNIVERSITÉ D"ANTANANARIVO

FORMATION DOCTORALE EN PHYSIQUE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

MEMOIRE DE FIN D"ETUDE

pour l"obtention du :

DIPLOME D"ETUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

option : Energétique sur : présenté par devant la commission d"examen composée de : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur titulaire Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences Madame RAZANAMALALA Louise Aimée, Maitre de Conférences Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences

Le 29 Novembre 2010

UNIVERSITÉ D"ANTANANARIVO

FACULTÉ DES SCIENCES

FORMATION DOCTORALE EN PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

Professeur titulaire

Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences , Maitre de Conférences Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

DIPLOME D"ETUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

devant la commission d"examen composée de Président : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Rapporteur : Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences Examinateurs : Madame RAZANAMALALA Louise Aimée Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences

UNIVERSITÉ D"ANTANANARIVO

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DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

MEMOIRE DE FIN D"ETUDE

pour l"obtention du :

DIPLOME D"ETUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE

option : Energétique sur : présenté par devant la commission d"examen composée de : Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur titulaire Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences Madame RAZANAMALALA Louise Aimée, Maitre de Conférences Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences

Le 29 Novembre 2010

UNIVERSITÉ D"ANTANANARIVO

FACULTÉ DES SCIENCES

FORMATION DOCTORALE EN PHYSIQUE

Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion

Professeur titulaire

Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences , Maitre de Conférences Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maître de Conférences

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Liste des symboles :

݀ Symbole de l"anode d"une diode

݁௱቉቉቉቉Ճ ቛݓቜ Induction magnétique en un point quelconque

݁௿቉቉቉቉Ճ [T] Induction magnétique produit par le courant magnétisant

݁ః௱ఄ[T] Induction correspondant à l"aimantation de saturation

݁ంቛݓቜ Induction rémanente

ݛ Base d"un transistor bipolaire

ݜ Collecteur d"un transistor bipolaire

ݞ Emetteur d"un transistor bipolaire

݇௳ቛ݀/ݦቜ Champ coercitif

݇቉቉Ճቛ݀/ݦቜ Vecteur champ magnétique ݢቛ݀/ݦ୔ቜ Densité de courant volumique ݢఃቛ݀/ݦ୓ቜ Densité de courant surfacique ଱Ճቛ݀/ݦቜ Vecteur intensité d"aimantation

݊ Symbole de la cathode d"une diode

ݦ቉቉Ճ Moment magnétique

ݍ Nombre de spires

ݧ቉Ճ Vecteur unitaire normal à une surface

ݫቛݦቜ Rayon d"une spire

ݒቛݦ୓ቜ Section d"une spire

ࠁቛ݇/ݦቜ Perméabilité magnétique d"une substance ࠁ௿ቛ݇/ݦቜ Perméabilité magnétique du vide ࠁంቛ݇/ݦቜ Perméabilité relative d"un corps ࠌ Susceptibilité magnétique d"un milieu

AVANT PROPOS

Ce travail a été réalisé dans le Laboratoire d"Energétique de l"Institut pour la

Maîtrise de l"Energie (IME) de l"Université d"Antananarivo en partenariat avec le Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion (LTTC) du Département de Physique de la Faculté des Sciences de l"Université d"Antananarivo. Je tiens à remercier vivement Monsieur ANDRIANANTENAINA Bruno Jacques, Maitre de Conférence, Doyen de la Faculté des Sciences de l"Université d"Antananarivo de

m"avoir permis de suivre la formation doctorale en Physiques et d"avoir autorisé à présenter

cette soutenance de mémoire. Je remercie également Monsieur RAKOTOMALALA Minoson Sendrahasina, Professeur Titulaire, Directeur de l"Institut pour la Maitrise de l"Energie (I.M.E) d"avoir accepté mon intégration au sein du laboratoire d"Energétique afin que je puisse poursuivre les études en vue de l"obtention du Diplôme d"Etudes Approfondies en Physique Energétique. Ma profonde reconnaissance et mes sincères remerciements s"adressent à Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maitre de Conférences à la Faculté des Sciences de

l"Université d"Antananarivo, qui a accepté de me diriger durant la réalisation de ce mémoire

et pour tous les conseils et les temps précieux qu"il a consacrés, malgré sa lourde

responsabilité. Mes vifs remerciements vont à l"endroit de Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur Titulaire,d"avoir accepté de présider cette soutenance de mémoire Je suis reconnaissant à Madame RAZANAMALALA Louise Aimée, Maitre de Conférences et à Madame RAFANJANIRINA Eulalie, Maitre de Conférences, qui se sont

intéressées à ce travail et m"ont fait l"honneur de siéger dans le jury, malgré leurs

innombrables occupations. Je ne saurais oubliertous les professeurs de l"Institut pour la Maitrise de l"Energie, qui m"ont formé tout au long de mes études au sein de l"institut. Enfin, je ne peux terminer sans mentionner ici ma gratitude envers mes chers parents,toute ma famille et tous ceux qui, quotidiennement, m"ont soutenu et qui, de près ou de loin, ont contribué à ce travail. ).42/$5#4)/. Depuis des années, l"énergie est devenue un domaine incontournable dans la vie des hommes. Tout a commencé par l"exploitation des ressources souterraines qui a même été la cause de différentes crises socio-économiques mondiales du fait de la fluctuation du cout de

cette exploitation. Parallèlement à cela, les environnementalistes n"ont pas hésité à lancer un

appel pour la protection de l"environnement par crainte de sa détérioration causée par les

activités humaines en matière de production d"énergie. Tous ces problèmes ont conduit les

chercheurs à prendre d"autres initiatives pour l"étude et la mise en place de nouvelles

alternatives énergétiques. Dans cette nouvelle vision, l"usage des énergies renouvelables a été le plus apprécié

grâce à sa particularité de ne pas polluer l"environnement ainsi que d"une exploitation presque

gratuite de la source d"énergie qui est puisée dans la nature. Cependant, la naissance de ces nouvelles technologies n"a pas pu rayer les énergies non renouvelables.

Malgré tant d"échec, les hommes se sont efforcés à découvrir encore d"autres

techniques pour mieux apaiser les effets néfastes des précédents types d"énergie. Ainsi, les

physiciens, de bonne volonté, ont remis en cause quelques théories déjà établies auparavant

mais qui pourront amener à des résultats satisfaisants. Un de ces résultats est la découverte

d"une toute autre forme d"énergie dont la théorie est basée sur l"électromagnétisme, c"est-à-

dire, utilisant les propriétés des matériaux magnétiques. Tel est l"objectif de ce présent

ouvrage intitulé : " Energie Libre et charge de batteries ». Pour plus de compréhension, on va essayer de mieux détailler les différentes parties de

ce mémoire. Tout d"abord, on va revoir la théorie sur le magnétisme et les aimants

permanents. Ensuite, on essayera de parler des différents types d"énergie déjà existant pour

avoir l"idée en tête de la comparaison avec le sujet en question. Enfin, on donnera le principe

de fonctionnement des machines à énergie libre déjà mis en place, suivi d"une petite

explication des travaux réalisés concernant l"énergie libre. Le magnétisme préoccupe les hommes depuis des temps très anciens déjà. Les Chinois

avaient exploité les propriétés des matériaux magnétiques avec la pierre à aimant, vers 2500

ans AV.JC, pour fabriquer des boussoles pour les voyageurs dans les déserts

Si l"on se limite aux témoignages historiques, la première observation du magnétisme date du

6è siècle AV.JC. A cette date, Thales de Milet remarque que certains minerais de fer en

provenance de Magnésie attirent le fer. Sur le plan des applications, le plus ancien texte

faisant mention d"une aiguille aimantée est chinois et date de la fin du 1 er siècle. Il est certain que l"Occident a hérité la boussole de la Chine, sous une forme déjà élaborée. Les théories du magnétisme furent nombreuses. Lucrère (1 er s. AV.JC) avait prévu, dans De

Rerum Natura, que le chemin qui mènerait à la compréhension des phénomènes observés sur

la pierre à aimant serait fort long. Cette prédiction devait se révéler d"une grande pertinence.

En effet, on est encore loin du terme aujourd"hui !

La lettre sur la pierre d"aimant (1269) de Peregrinus de Maricourt peut être considérée comme

la première contribution scientifique à la connaissance du magnétisme, par les

développements de la méthode expérimentale qu"elle apporte. Malgré ce document rigoureux,

les théories animistes continuèrent à se développer longtemps. Au 16è siècle par exemple,

F.Bacon écrivait encore " car nous voyons qu"il existe dans presque tous les corps naturels, une force manifeste de percevoir et même une sorte de choix en vertu duquel ils s"unissent avec les substances amies et fuient les substances ennemies ». En 1895, Pierre Curie ouvre la voie d"une théorie moderne du magnétisme en distinguant le

diamagnétisme du paramagnétisme et du ferromagnétisme. Il observe également le passage du

ferromagnétisme au paramagnétisme quand la température augmente.

Si la boussole a véritablement révolutionné la navigation au Moyen-âge, il est difficile de

surestimer l"importance des matériaux magnétiques dans la société actuelle. Que l"on songe

simplement à la production d"énergie électrique qui serait totalement impossible, à l"échelle

que nous connaissons, sans la présence de tôles ferromagnétiques dans les alternateurs. Des charges électriques en mouvement ordonné, contenue dans une matière créent dans le milieu environnant un champ d"excitation magnétique. Cette circulation de charges constitue donc une source d"excitation magnétique. En un point quelconque de l"espace, ce

champ d"excitation magnétique est caractérisé par un vecteur nommé vecteur excitation

magnétique ݇቉቉Ճ. Le champ d"excitation magnétique est donc un champ de vecteurs formé par l"ensemble des vecteurs Si on vient de parler du phénomène concernant le champ d"excitation magnétique,

voyons maintenant comment est-il produit. Pour cela, il existe différentes manières de créer

un champ d"excitation magnétique. L"électron gravitant autour d"un noyau atomique est une source d"excitation

magnétique. Le champ magnétique créé est extrêmement faible, mais l"ensemble des champs

formés par toutes les autres particules avoisinant cet électron permet d"obtenir un champ

intense. Un aimant est constitué d"un objet en acier qui a subit un traitement magnétique

antérieur. Il peut posséder des formes très variées selon son utilisation. L"aimant est considéré

comme source d"excitation magnétique à cause de l"orientation d"une majorité des orbitales

électroniques des atomes le constituant.

Voici un exemple de représentation d"un aimant indiquant le champ magnétique qu"il crée. Un solénoïde, parcouru par un courant, constitue une source d"excitation magnétique.

Ce champ est analogue à celui que crée un aimant droit, comme le montre la figure ci-

dessous : Considérons un conducteur dans lequel circule un courant I comme la montre la figure : Comme mentionner auparavant, des particules chargées, en mouvement, créent un champ d"excitation magnétique. L"intensité de ce champ qui suit la loi de Biot et Savart, en un point M quelconque, extérieur au circuit est comme suit : Avec : rՃ୑ est le vecteur unitaire porté par la droite orientée de P vers M. D"après cette loi, l"excitation magnétique créée par l"élément dl቉቉቉Ճ du conducteur est perpendiculaire à celui-ci, ainsi qu"à rՃ୑. Ces trois grandeurs forment donc un trièdre direct dans le sens

4ࠅݫ

Considérons un contour fermé ቗Γቘ, la circulation élémentaire de l"excitation

magnétique le long d"un élément dl቉቉቉Ճ de ce contour est donnée par : D"où la circulation de H቉቉Ճ le long de ቗Γቘ : On remarque d"après cette relation que seule la composante tangentielle du champ au parcours circule.

Considérons deux circuits parcourus respectivement par i୒ et i୓. Le théorème

d"Ampère consiste à dire que la circulation du vecteur excitation magnétique

H቉቉Ճ le long d"un

contour fermé

቗Γቘ et orienté est égale à la somme algébrique des intensités des courants qui

traversent la surface s"appuyant sur ce contour. Par convention, on compte positivement

l"intensité d"un courant traversant par la face sud, et négativement l"intensité d"un courant

traversant par la face nord. On obtient ainsi : Ce théorème permet de montrer que le champ d"excitation magnétique ne dépend pas du milieu. Une particule chargée en mouvement crée un champ excitation magnétique. Ce champ

quant à lui, modifie les propriétés du milieu dans lequel il agit. Il induit un champ induction

magnétique. Aussi, au vecteur excitation magnétique H቉቉Ճ correspond-il un vecteur induction magnétique

B቉቉Ճ, dont la relation est :

B቉቉Ճ s"exprime en Tesla (T) et µ désigne la perméabilité magnétique absolue du milieu, elle

s"exprime en [H/m].

Partant de l"expression de la circulation de H቉቉Ճ, on en déduit facilement la circulation de

B቉቉Ճ :

La dernière relation est obtenue en considérant une distribution volumique de courant dans laquelle S désigne une surface quelconque s"appuyant sur le contour Par application du théorème de Stockes pour la transformation d"une intégrale curviligne en intégrale de surface, on obtient : D"où on aboutit à une autre relation donnant le champ induction magnétique, qui n"est autre que le théorème de Maxwell-Ampère : Considérons une distribution des courants continus produisant en tout point de l"espace une induction magnétique constante B቉቉Ճ. Un circuit filiforme, parcouru par un courant I et placé dans cette induction magnétique est soumis à une force dite " Force de Laplace » :

Dans ce paragraphe, nous n"allons pas nous intéresser sur la forme géométrique de

l"aimant mais plutôt sur sa structure interne. Pour cela, considérons un circuit C parcouru par un courant I, les expériences élaborées par Oersted ont pu mettre en évidence l"existence d"un champ magnétique, produit par le circuit, dans l"espace vide environnant. Cependant, il existe également d"autres substances

capables de produire un champ magnétique analogue à celui créé par le courant électrique : ce

sont " les aimants permanents ». Plaçons dans une région vide de l"espace où règne un champ produit par un aimant, un

volume élémentaire dv de matière. On appellera ce champ " champ extérieur ». Ce champ va

communiquer à la substance utilisée les mêmes activités magnétiques, c"est-à-dire que le

volume dv crée à son tour un champ magnétique qui se trouve superposé au champ extérieur.

Ce phénomène s"appelle " aimantation ». Dans certains cas, cette aimantation induite

disparait lorsque le champ agissant est supprimé : on dit qu"elle est temporaire. Dans le cas de quelques matières comme le fer, le nickel, le cobalt et quelques alliages de ces métaux, on observe une aimantation permanente importante après suppression du champ extérieur. Un aimant permanent artificiel est donc obtenu après l"application d"un champ magnétique extérieur sur le matériau. Quand on plonge un barreau aimanté dans de la limaille de fer, celle-ci s"attache surtout

aux extrémités. Ce sont les zones actives de l"aimant et on les nomme les pôles de l"aimant.

L"action sur la limaille ne nous permet pas de distinguer un pôle de l"autre mais certains phénomènes montrent que ces deux pôles ne sont pas identiques. En effet, si on suspend une aiguille aimantée de façon à ce qu"elle puisse tourner librement dans un plan horizontale,

après un certain moment, elle va garder une direction Sud-Nord. L"extrémité dirigée vers le

Nord est le pôle Nord et l"autre extrémité est le pôle Sud.

Si on dispose de deux barreaux aimantés, d"après les expériences, les pôles de même nom se

repoussent tandis que les pôles de noms contraires s"attirent. Cette action d"attraction ou de répulsion varie inversement avec le carré de la distance séparant les deux pôles. Plaçons maintenant des échantillons de substances de même volume dv dans une région où règne une induction magnétiqueinhomogène B୑቉቉቉቉Ճ. On peut affirmer que toutes les substances sont soumises à des forces qui se distinguent par leur intensité et par leur sens.

· Un très grand nombre de substances sont soumises à des forces faibles ݅୒቉቉቉Ճ qui les

sollicitent vers les régions où l"induction est la plus faible. Ce sont les matériaux

diamagnétiques (cuivre, zinc, argent, eau, alcool, ...) · Un grand nombre de substances sont également soumises à des forces très faibles mais que seulement elles sont attirées vers les régions où l"induction la plus forte. Ce sont les matériaux paramagnétiques (aluminium, platine, manganèse, oxygène, ...) · Il existe également d"autres genres de substances soumises à des forces

݅Ճ୔ qui sont

nettement supérieures aux précédentes. Elles sont attirées vers les régions où règne un

champ magnétique intense. On les appelle substances ferromagnétiques (fer, magnétite Il faut signaler que le sens de l"induction n"impose pas sur celui de la force agissant sur

l"échantillon. C"est plutôt le sens du gradient du champ, autrement dit l"intensité du

champ.Comme nous montrent les figures ci-dessous, dans lesquelles la force est dirigée vers les régions où règne un champ intense (cas des matériaux ferromagnétiques). Il est à noter que, pour une section constante, le champ d"induction est maximal pour un nombre important de lignes de champ contenus dans la surface. Les schémas suivants permettent d"éclaircir ce point :

L"intensité du champ d"induction de la figure (a) est supérieure à celle présente dans la figure

(b) pour une même section (S). L"étude des actions subies par un matériau magnétique placé dans un champ d"induction

extérieure permet de définir une grandeur fondamentale du magnétisme induit qui est le

moment magnétique m቉቉቉Ճ. Comme on vient de mentionner auparavant, une spire parcourue par un courant I

correspond à un petit aimant, du point de vue actions subies que de l"induction créée à

l"extérieure.

En effet, Ampère a supposé que l"aimantation est due à la circulation de courants

particulaires dans la masse de la substance. Ainsi, on va assimiler le mouvement des électrons gravitant autour de son noyau correspondant à un courant circulant dans un circuit fermé. Notons que pour une spire de section S, parcourue par un courant I, le moment magnétique vaut : C"est-à-dire que cette grandeur est normale au plan de la spire. Pour bien comprendre le principe de l"aimantation, on va étudier séparément le comportement des électrons en l"absence et en présence d"un champ extérieur.

Considérons une orbite électronique plane circulaire possédant un moment magnétique

permanent normal au plan de la trajectoire. Observons les différents cas suivants : · Supposons d"abord que les moments magnétiques associés aux mouvements des électrons se compensent. Donc l"atome correspondant ne possède pas de moment magnétique permanent et il en sera de même pour tout élément de volume dv de la substance considérée. C"est pour le cas des diamagnétiques. · Dans le cas où la compensation des moments magnétiques des diverses orbites électroniques d"un atome n"est pas totale, cet atome possède un moment magnétique permanent, mais dans tout l"élément de volume dv, les moments magnétiques de tous les atomes sont orientés symétriquement dans l"espace et il en résulte un moment résultant nul. C"est le cas des paramagnétiques. · Pour le cas des ferromagnétiques, les substances contiennent des domaines d"aimantation dans lesquels tous les moments de tous les atomes sont parallèles entre eux à l"intérieur d"un même domaine. En plus, l"orientation de chaque domaine prend des directions quelconques.

Reprenons l"orbite électronique précédente et supposons que B቉቉Ճ୑ est normal à son plan. Le

moment magnétique équivalent tend à varier à cause de la force de Laplace produite par l"induction. Pour un sens déterminé de rotation de l"électron, B቉቉Ճ୑ peut avoir deux sens opposés et dans tous les cas, la variation

∆m቉቉቉Ճ du moment magnétique est opposé àB቉቉Ճ୑. Ce phénomène se

produit pour n"importe quelles substances. Au cas où l"atome ne possède pas de moment magnétique permanent, il se crée alors, en présence de

B቉቉Ճ୑, un moment magnétique induit opposé à B቉቉Ճ୑. C"est le cas des diamagnétiques.

Pour l"explication du paramagnétisme, l"atome d"une substance a un moment magnétique permanent, et la présence de B቉቉Ճ୑ impose à chaque atome un couple qui tend à aligner les divers moments élémentaires des atomes dans la direction de B቉቉Ճ୑. Ce qu"il faut noter dans ce cas c"est que cet alignement des moments impliquera de l"agitation thermique qui sera d"autant plus

important que la température sera plus élevée. Néanmoins, le moment magnétique résultant,

de même direction de B቉቉Ճ୑ sera d"autant plus grand que la température sera la plus basse. Pour les ferromagnétiques, le moment résultant à l"intérieur de chaque domaine est grand puisque tous les moments sont parallèles entre eux. L"action de

B቉቉Ճ୑ tend à modifier le

volume occupé par chaque domaine élémentaire et de les orienter dans la direction du champ.

Ainsi l"aimantation induite sera considérable.

Ainsi, l"aimantation en un point M entouré par un volume dv et de moment magnétique global

dm቉቉቉቉቉቉Ճ sera caractérisée par le vecteur intensité d"aimantation JՃ ቛA/mቜ:

Prenonsun disque circulaire de rayon R et d"épaisseur dz de tel sorte que JՃ soit uniforme en tout point et normal au plan du disque. Décomposons le disque en petits prismes

élémentaires de même surface

dS et possédant chacun un moment magnétique : dm ൩ J.dv ൩ J.dS.dz.

Comme la matière est équivalente à un circuit fermé, on peut donc écrire le moment d"une

autre manière, soit : hǓ dI est la densité du courant fictif circulant la surface latérale du cylindre. On peut tirer de ces deux relations du moment l"expression de la densité de courant fictif : Donc si z est l"épaisseur du disque, l"intensité de courant sera :

Chaque prisme élémentaire dm቉቉቉቉቉቉Ճ produit une induction dB቉቉቉቉቉Ճ qui est la même que celle produite

par le courant fictif circulant la paroi latérale du petit prisme. Concernant l"induction totale

B቉቉Ճ

produite par le cylindre tout entier, elle est la somme des inductions élémentaires produites par les courants fictifs de chaque portion de matière. Comme les courants fictifs s"annulent à

l"intérieur de la matière,du fait de deux sens opposés des courants de deux portions

adjacentes, il ne reste que la densité de courant iஎ൩ J sur la paroi latérale. Par conséquent, un

matériau aimanté uniformément est équivalent à une nappe de courant épousant sa surface

latérale et parcourue par un courant

I୼.

Dans le cas précédent, on a remplacé tout simplement la matière aimantée par des

courants superficiels fictifs. Dans le cas général, on est obligé de considérer des courants

volumiques fictifs puisque le vecteur aimantation JՃ varie d"un point à un autre. Ceci implique

également une variation de la densité de courant fictif. Ainsi, la compensation des courants à

l"intérieur de la matière n"est plus à prendre en compte. Ces courants internes contribuent donc à la création de l"induction magnétique totale B቉቉Ճ. Les densités de courant fictif en un point M de l"aimant sont données par les relations suivantes :

i et iஎ sont respectivement la densité de courant volumique et la densité de courant surfacique

de l"aimant. n቉Ճ est un vecteur unitaire normale à la surface limitant l"aimant et dirigé vers l"extérieur. ୑൩ 1 ൢ ࠌ

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