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COMPOSITIONS MINERALES DE MOULAGE ET PRODUITS DERIVES.
L'invention concerne la fabrication de produita de moulage faisant prise à la chaleur, à base d'acide orthophosphorique et d'amiante, les pièces moulées obtenues étant remarquables comme isolants électriques en particulier pour les brise-arcs dans les coupe-circuits et autres applications à température élevée*
La fabrication d'isolants minéraux qui pendant leur utilisation devront pouvoir supporter des températures élevées, présente de grandes difficultés, sur- tout lorsque les pièces fabriquées doivent être réalisées par le procédé de mou- lage à chaud et ont des formes compliquées.
D'autre part, les propriétés mécaxi- ques et électriques de telles pièces ne sont pas toujours suffisantes pour que celles-ci puissent résister à l'action de la chaleur produite par un arc
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électrique* Les compositions d'amiante agglomérée au ciment Portland sont satisfai-
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eantes dame une certaine mesure, mais les pertes électriques superficielles relative- ment dle4des de ces compositions, quand on les emploie comme brise-ares, obligent à revêtir ces brise-arcs, sur leurs faces internes, de plaques en mica agglomérées au borats de plomb {BSrcalex) Cette précaution est nécessaire pour éviter un amorçage d'arc entre contacts par courants rampants le long des parois des brise-arcs.
En outre, ces compositions doivent être moulées à froid et exigent un usinage ultérieur,
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procédé long et oiLdreur4 Ltinventlon apporte une solution à ces problèmes et constate z traiter par l'acide orthophosphorique à concentration déterminée des amiantes fibreuses ayant une constitution convenableb On obtient alors des substances pouvant être moulées directement à. chaud, par la technique habituelle et en toutes formes,, qui font priées
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rapidement$ possèdent une grande résistance mécanique. absorbent assez peu l'humiditi et résis%ent à la chaleur et à l'action de l'arc lorsqu'on les emploie dans les coupe- aireultal les propriétés électriques de ces produits sont satisfaisantes et elles con- viennent à. la rupture des arcs.
La réaction de l'amiante sur l'acide orthophospho- rique n'eet adéquate que si la concentration de l'acide dépasse 60% et reste de pré- férence comprise entre 60 et 85%. Un acide il. trop faible concentration conduit & un produit à propriétés électriques intérieures, qui absorbe davantage d'eau, devient difficile ou sème impossible à mouler suivant la technique usuelle.
En outre, la réaction sembla spécifique de la variété d'amiante appelée
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ehtysooile appartenant au groupe des serpentines et de l'acide orthophosphorique con- centrât D'autres silicates magnésiens, comme le mica, le talc et l'amphibole, sem- blent dépourvus de réaction sur l'acide orthophoaphorique;
ainsi les compositions de mica et de cet acide absorbent avidement l'eau} il en résulte leur désagrégation*
Suivant l'invention, on mélange des fibres d'amiante avec l'acide ortho- phosphorique concentré puis on moule sous pression et à chaude
Voici un exemple du traitement à effectuer a à 100 parties en poids
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d'amiante odysotile à fibres courtes, on mélange 80 parties d'acide orthophosphori- que à 85fi, puis on triture dans un malaxeur du type rnor-si er, pourvu d'une chemise d'eau permettant le refroidissement* Ce mélange dure peu de temps, environ 10 minutes, après quoi on le place Immédiatement dans le moule chaud;
on compris
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sous 210¯à 420 Eg/ m% à une température comprise entre 100 et SOO* 00 et de préférence voisine de 140 C.
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On laisse cependant le temps suffisant pour que la prise se fasse environ 3 à 10 minutes suivant les dimensions$ la forma et l'épaisseur du produit moule; on démoule chaud. Les produits obtenus ont un module de rupture par flexion de 350 à 500 Kg/ cm2, une résistance diélectrique de 500 à 1000 valts par mm, d'épaisseur et un taux d'absorption de 3 à 5% d'eau, Les produits obtenus sont denses, rigides et ont l'aspect de la pierre; ils sont particulièrement utilisas comme briseurs d'acsdans les coupe-circuits à l'air, de sorte qu'on peut les fabriquer directement par moula- ge à chaud sans qu'il soit nécessaire de les usiner.
En outre, ces pièces ont d'habitude des formes compliquées car les parois latérales présentent plusieurs rai- nures, Puisque les produits de l'invention présentent des pertes superficielles mi- nimes, il n'est pas nécessaire d'employer des produits coûteux au mica, et au borate de plomb sur les parties intérieures des pièces qui sont exposées à l'arc*
Les produite ainsi moules ne subissent qu'un faible retrait dans le moule; la surface après démoulage est bien lisse et n'exige aucune opération de fi- nissage ou de polissage. La plasticité est telle que l'on peut mouler sous des for- mes compliquées, les produits finis peuvent être usinés.
A la température ambiante,, la réaction de l'amiante sur l'acide phospho- rique s'achève assez rapidement à température ordinaire pour qu'il faille contrôler avec soin la durée du mélange et éviter la prise en masse prématurée qui gênerait le moulage; il faut aussi effectuer celui-ci immédiatement après mélange.
Suivant une Tariante du procédé principal, on facilite le mélange et le moulage en substituant à l'acide phosphorique certains de ses composés pouvant réa- gir sur l'amiante chrysotile, on peut notamment se servir du pyrophosphate acide d'éthyle, liquide visqueux dont l'hydrolyse conduit à l'alcool éthylique et à l'acide orthophosphorique lors de son contact avec l'amiante.
On obtient donc des compositions de moulage en mélangeant 100 parties en poids d'amiante et 60 parties de pyrophosphate acide d'éthyle dans un malaxeur du type Baker Perkins. Après un quart d'heure on obtient une pâte dont le moulage conduit à des pièces de coloration uniforme ayant de bonnes propriétés électriques.
Une telle composition reste plastique et moulable pendant beaucoup plus longtemps que le mélange à l'acide orthophosphorique. On a pu par exemple le garder 48 heu- res à température ordinaire avant de le mouler avec succès.
Au lieu de pyrophosphate acide d'éthyle, on a employé d'autres com- posés organiques de l'acide phosphorique pouvant réagir sur l'amiante, par
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exemple les orthophosphates acides de méthyle ou d'éthyle, ou encore certains phos- phates minéraux solubles dans l'eau, des types mono- ou di-métallique, par exemple les orthophosphates monométalllques d'aluminium ou de magnésium. Ce sel d'aluminium est particulièrement intéressant lorsqu'on veut obtenir des Isolante ferromagnétiques puisqu'il est relativement dépourvu de réactivité à température ambiante.
En congé- quence, on peut mélanger de façon intime l'amiante, l'oxyde de fer magnétique et le sel en solution, aTant de mouler, ce qui conduit à un produit final plus uniforme., On obtient ainsi une composition moulée qui associe au pouvoir isolant ëleotriquam des propriétés magnétiques accentuées.
L'amiante naturel contient comme impureté un peu d'oxyde de fer qui lui confère des propriétés faiblement magnétiques. On enlevait cet oxyde puisqu'in le jugeait nuisible à la qualité du produit, même s'il y en avait de petites quantités.
Suivant l'invention, cependant, on peut en incorporer jusqu'à 50% du poids d'amiante et sous forme de magnétite, de façon à réaliser des isolants ayant des propriétés élec- triques et magnétiques exceptionnelles. On en décrira plus loin une application par- ticulière.
Quelle que soit la méthode de préparation, on peut mouler des pièces de forme compliquée ou des pièces minces telles que des panneaux mesurant environ 450 x 510 x 4,Smm. De tels produits ne subissent de pertes électriques superficielles qu'en proportion insignifiante et conviennent pour le rêvetemnt intérieur dea brise-arcs, notamment dans le cas de la haute tension.
Dans certains cas, on peut avoir à Incorporer des charges résistant aux températures élevées, par exemple du silex, du silicate de zirconium, de la zircons, etc.. on a constaté en particulier qu'un mélange pulérulent de silicate et d'oxydede zirconium est une charge tout-A-fait avantageuse dans le cas des interrupteurs dont la capacité de coupure se trouve ainai augmentée,
De façon similaire, on peut préparer aussi des compositions de laminage ayant différentes formes et dimensions.
La matière première étant bon marché les produits sont assez économiques, A titre d'exemple, on décrira l'application aux brise-arcs, du produit décrit dont l'efficacité d'extinction est grande tandis que le prix de revient est bas,
Dans un exemple de réalisation, on constitue un brise-arc principalement au moyen d'une matière isolante au point de vue électrique et qui possède également la caractéristique. de laisser passer le flux magnétique.
Cette matière est de pré- férence une matière Inorganique, qui peut être moulée sous la forme désirée, -iL
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et qui peut consister .par exemple, en un mélange d'oxyde de fer, de poudre d'amiante et d'acide phosphorique, le mélange étant moulé à haute pression et sous Inaction de la chaleur.
Cette matière perméable au flux magnétique constitue un chemin pour le flux magnétique crée par le courant dans l'arc et produit autour de lui un champ plus intense, de telle aorte que l'arc est ainsi déplace électromagnétiquement dans le dis- positif, ce qui l'allonge, réduit sa section, le refroidit et finalement l'éteinte Afin d'augmenter encore la longueur de l'arc, le brise-arc comporte plusieurs parois sensiblement parallèles qui sont à peu près perpendiculaires à l'arc.
L'invention sera d'ailleurs bien comprise si on se reporte à la descrip- tion qui suit et aux dessins qui l'accompagnent à titre d'exemple non limitatif de réalisation et dans lesquels : la figure 1 est une élévation latérale, partiellement en coupe, d'un brise-arc conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en bout, la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1, en regar- dant dans le sens des flèches et montrant le dispositif complète la figure 4 est une coupe suivant 4-4 de la figure 1, dans le sens des flèches, et montrant le dispositif complet, et la figure 5 est une coupe fragmentaire d'une variante de l'invention.
En se reportant aux dessins, on voit le contact fixe 10 qui coopère avec le contact mobile 11, ce dernier étant monté comme à l'habitude aur un bras 12, qui peut pivoter de telle sorte que le contact 11 peut être manoeuvré à la main ou par d'autres moyens (non représentés), vers la gauche (fig.1), de manière à prendre la position correspondant à l'ouverture du circuit,
Le contact 10 est monté au voisinage de la partie Inférieure d'une pièce 13 en forme d'"U", en matière conductrice de l'électricité, Son bras interne 14 constitue un guide d'évacuation vers le haut pour l'arc, comme on le voit figure 1.
Le second guide d'évactuation 15 pour l'arc se trouve à une certaine dis- tance horizontale du contact 10; cet élément 15 est en matière conductrice de l'élec- tricité, telle que le cuivre, et sa partie Inférieure 16 forme avec lui un angle ai- gu, ouvert vers la gauche, de façon à se trouver juste au-dessus du contact mobile 11 quand oelui-ci se déplace vers sa position d'ouverture, Ces deux guides 14 et 15 divergent vers le haut, de telle sorte que l'arc qui chemine vers le haut
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le long de ces deux guides, se trouve allongea De préférence, les contacts et le brise-arc sont montés verticalement, comme on le voit figure 1.
Le brise-arc est moulé sous forme de deux plaques 17 et 18 qui sont dispo- sées des deux cotes du trajet suivi par le contact mobile; elles comportent des ner- vures constituant plusieurs parois sensiblement parallèles. Comme on le voit, la plaque 17 porte plusieurs nervures 19, également espacées et sensiblement verticales (fig.1) moins épaisses à leur partie supérieure qu'à leur base, De même, l'élément 18 comporte des nervures 20 analogues aux nervures 19 et complémentatres de ces der- nières, de sorte que, lorsque les deux plaquas sont montées l'une en face de l'autre (fig.3), les nervures des plaques aont enchevêtrées à la manière de dents d'engrena- ges.
De même, les nervures sont espacées de façon à ménager entre elles un passage continu, étroit, de largeur sensiblement uniforme ,figura 3, aux extrémités supé- rieures de ces nervures. De cette manière, les nervures 19 et 20 constituent plu- sieurs parois espacées, sensiblement parallèles, dirigées à peu près perpendiculai- rement au trajet suivi par le contact mobile 11.
Comme on le voit figure 4, les nervures 19 et 20 sont moins hautes à leur partie inférieure qu'à leur partie supérieure.
On voit également que ces nervures ont des parties supérieures plates et leur profil se raccorde avec des parois internes 22 et 23 sensiblement planes en des points 24 et 25 qui se trouvent juste au-dessus des guides 14 et 15 de l'arc.
A la partie supérieure des nervures, la matière intermédiaire est découpée de façon à former des sortes de logements 26 dans chacun des éléments 17 et 18, ces logements creux permettant de disposer d'une plus grande hauteur de nervures, à leur extrémité supérieure.
On volt ainsi que, lorsque le contact Il se déplace vers la gauche, l'arc Jaillit d'abord directement entre les deux contacts et n'est pas gêné par les ner- vures 19 et 20. Toutefois, lorsque l'are se déplace vers le haut, il est forcé de passer plus ou moins entre les nervures, ce qui l'allonge et diminue sa section, Ainsi, toute partie de l'arc qui existe à la partie supérieure des plaques 17 et 18 doit prendre un chemin étroit et très allongé selon la fente 21 représentée fig.3.
Afin d'augmenter le champ magnétique dans l'espace compris entre les pla- ques et d'aider électromagnétiquement le mouvement rapide de l'are vers le haut, à travers le chemin étroit et allongé de la fente 21, on constitue les plaques 17 et 18 en une matière homogène, sensiblement uniformément Isolante au point de vue
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électrique et possédant des caractéristiques magnétiques dans toute leur masse.
Cette matière, tout en étant électriquement isolante, est magnétique dans une grande proportion; en d'autres termes, les plaques 17 et 18 ont une perméabilité relativement élevée vis-à-vis de celle de l'air et d'autres isolants électriques con- nus; on utilise de préférence un mélange, en poids, de trois parties de Fe2O4, en poudre, d'une partie de poudre d'amiante, avec 15 cm3 de PO4H3 à 75%, par 100 grammes de mélange. Ces éléments sont intimement mélangés ensemble , chauffés à une tempéra- ture de 93 C et soumis à cette température à une pression d'environ 200 Kg/cm2 de manière à constituer les plaques 17 et 18, Dans un interrupteur ainsi réalisé, la perméabilité de la matière des plaques a étéhtrouve être environ 70 fois plus grande que celle de l'air.
Cet interrupteur peut couper normalement un courant de 10.000 ampères sous 600 volte alternatifs.
De préférence, dans le mélange ci-dessus, on utilise de la poudre d'amiante consistant dans le mélange suivant en poids t
NgO ................... 53,30%
SiO2 .................. 40,92%
Fe293.................. 8,70%
Al2O3 .................. 5,18%
H2O ................... 11,30%
Cette amiante, qui contient 8,7% d'oxyde de Fe, ne présente aucune tra@e d'attraction magnétique, même sous forme de pièce moulée.
Un échantillon de 1 om3 de cette matière a présenté la résistance obmique suivante t pour 1000 volta appliqués sur les o8tds opposés de l'échantillon s résistance infinie, pour 1200 volts appliqués t résistance 240.000 ohms* pour 1500 volts " 80.000 ohms,,
Cette matière possède ainsi un coefficient de température négatif, les pertes de courant échauffent la matière et diminuent sa résistance. Lorsqu'elle est refroidie jusqu'à sa température Initiales, sa résistance d'isolement redevient ce qu'elle était auparavant.
Un courant destructif, ou appréciable, 1 travers la matière des plaques peut être défini comme un courant dont la valeur (par exemple dépassant cinq milli- =pères par cm2, lest telle qu'il produit plus de chaleur qu'il n'en est évacué par les plaques avec diminution éventuelle correspondante de la résistance de la matière, jusqu'au point où les plaques et l'interrupteur sont détruits.
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De préférence, après que les plaques 17 et 18 ont été moulées et terminées elles sont soumises à une cuisson@ additionnelle pendant 12 heures à 110 C. Cette cuisson améliore les caractéristiques diélectriques de la matière en questions Si on désira enfin assurer une plus grande uniformité dans la pression applique au mélange les plaques peuvent être moulées avec des sections rectangulaires plus ou moins uni- formes et elles sont ensuite usinées pour former les nervures et les logements.
Afin de réduire encore la réluctance du circuit magnétique, on dispose des plaques de fer doux 27 et 28, à l'extérieur des plaques 17 et 18, des deux cotés du contact 10 et du guide 14.
On dispose également une paire de plaques magnétiques en fer à l'extérieur des plaques et de chaque côté du guide 15. Ces plaques 29 et 30 se logent ,de préfé- rence, dans un logement prévu à cet effet dans les plaques; leur surface interne est entièrement en contact avec les plaques 17 et 18.
Les plaques 27 et 28 sont réunies électromagnétiquement ensemble à leur extrémité extérieure par une plaque 31 en fer, insérée entre les extrémités extérieu- res des plaques et s'appuyant contre elles, de façon à se trouver en contact magnéti- que avec ces dernières. La plaque 31 se prolonge entre une extrémité extérieure des plaques et elle est séparée du guide 14 par une couche 32 de matière appropriée et isolante électriquement* Comme on le voit sur le dessin, les guides 14 et 15 ont la même largeur (Fig.4) qui est égale à la distance entre les plaques aux points où les guides sont fixés.
De même, une barre 31a,en fer,est logée dans la courbe constituée par la pièce 13 et elle sept de Joint magnétique en ce point entre les deux plaquée 27 et 28. On comprend que le conducteur 13 forme une demi-spire de bobine de souffla- ge autour de la barre Sla, pour la production du flux magnétique,.
Ene seconde plaque transversale 33, en fer, est prévue pour joindre les extrémités des plaques 29 et 30, cette plaque 33 étant séparée du guide d'are 15 par une couche 34 de matière électriquement Isolante. Les deux plaques 31 et 33 sont maintenues en position oontre les extrémités des plaques au moyen de vis 35 et 36 montées dans les prolongements des pièces 13 et 16; des couches de matière isolante 37 et 38 sont disposées entre les vis et les pièces 31 et 33,
Comme on le voit figure 1, les extrémités adjacentes espacées 39 et 40 des plaques de fer 29 et 27 sont disposées de manière à faire angle aigu avec la verticale et ces deux extrémités sont sensiblement parallèles l'une avec l'autre.
De même, les extrémités adjacentes des plaques 28 et 30 sont disposées de la même façon,
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sous un certain angle avec la verticale, Les plaques 27 et 28 sont suffisamment larges à leur extrémité inférieure (fig.l) de façon à recouvrir légèrement l'extré- mité inférieure du guide d'are 15, ces deux plaques formant une partie du circuit magnétique de l'arc, au moment où celai-ci éclate 1 partir de la partie inférieure du guide 15.
De manière à réduire les effets indésirables du flux magnétique induit dans les plaques 27 à 30, on dispose des fentes 27a à 30a, les fentes 27a et 28a é- tant sensiblement perpendiculaires au guide 14, et les fentes 29a et 30a étant per- pendiculaires au guide 15.
On dispose également, à la partie supérieure des plaques 17 et 18, une grille de refroidissement comportant plusieurs bandes 41 verticales, en métal magné- tique cannelé, électriquement isolées les unes des autres par des bandes isolantes 42, en mica ou en fibre. Non seulement, ces bandes refroidissent l'arc et accélèrent son mouvement, mais elles servent également à distribuer l'arc et les gaz d'une ma- nière presque uniforme entre les plaques, c'est-à-dire depuis une extrémité de la fente 21 jusqu'à l'autre entremîtes En espaçant davantage les bandes 42 vers des cannelures droites plus profondes dans les bandes de métal, on obtient une réparti- tion presque uniforme d"-l'are et des gaz, ce qui provoque un excellent refroidisse- ment.
Les bandes métalliques 41 et les bandes isolantes 42 sont perpendiculaires aux pièces 17 et 18, comme on le voit sur le dessin* Elles sont maintenues à leurs extrémités par des supports en U ,42a et 42b, dans lesquels leurs extrémités sont Insérées* Les bandes Isolantes 42 sont plus larges que les bandes métalliques, dans le sens vertical, et elles dépassent les bandes métalliques en haut et en bas. Les bords inférieurs des bandes 42 reposent sur la surface supérieure plane des plaques 17 et 18 et s'y adaptent de manière jointive.
On remarquera que l'Intensité du champ magnétique dépend principalement de la distance entre les plaques 17 et 18 (puisque ces plaques sont en matière magné- tique), qui est beaucoup plus petite que la distance entre les paires de plaques 27- 28 et 29-30. C'est ainsi que, lorsque l'arc s'élève (fig.1) et que la distance entre les plaques diminue, l'entrefer en ce point, c'est-à-dire la distance entre les plaques 17 et 18, diminue d'une manière correspondante avec l'augmentation de la densité du flux magnétique, en vue de la propulsion de l'arc vers le haut, à travers la tente étroite SI* Dans l'exemple choisi, la fente 21 avait une largeur de
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8/10 de m/m, cette distance constituant 1'entrefer.
@ @
Le champ magnétique est augmente par la demi-spire constituée par la pièce 13 en 11, à laquelle est connectée une barne 43 du airauit électrique, qui abou- tit bien entendu au contact fixe 10. Des connexions,non représentées, sont établies entre l'autre borne du circuit électrique et la surface du contact mobile 11, De mê- me, une connexion électrique 44 et un conducteur simple 45 relient électriquement le bras de contact 12 à l'extrémité Inférieure de la pièce 16, de telle sorte que, lors- que l'arc jaillit vers le guide 15, il se trouve dans le circuit électrique de l'in- terrupteur. Des plaques supports isolantes 46-47 sont disposées de chaque côté de l'appareil, qui peut ainsi être fixé au bâti de l'interrupteur.
On peut remarquer que les deux plaques 17 et 18 constituent des pièces polaires internes pour les paires de plaques magnétiques 87-28 et 29-30. La quanti- té de flux magnétique produite est inversement proportionnelle à la réluctance du circuit magnétique, qui comprend, par exemple, les plaques de fer 27,28 et 31 à uces extrémité de l'appareil, les plaques 17 et 18 et l'entrefer qui les sépare. La ré- luctance de ce circuit est trèa petites aauf celle de l'entrefer, mais celui-ci est très court à la partie supérieure, 8/10 de m/m dans l'exemple ci-dessus.
Par consé- quent, une grande quantité de flux est produite dans chaque circuit magnétique, aux extrémités des guides, au moyen d'une faible dépense d'énergie électrique. Le flux magnétique est produit par le courant dans la demi-spire constituée par l'U de la pièce 13,, et, après que les contacts se sont séparés par le courant de l'arc entre les guides 14 et 15.
La grandeur de la force qui pousse vers le haut l'arc, ainsi que tous les conducteurs qui conduisent du courant, dépend de la quantité de flux magnétique créé par l'arc. Cet arc se déplace de manière à embrasser le plus grand flux pos- sible, c'est-à-dire vers le haut, comme on le voit sur le dessin. L'arc continue en entourant de plus en plus de flux, sens égard pour sa forme, jusqu'à ce qu'il atteigne la partie supérieure extrême des plaques 17-18* Il est quelque peu retenu bien entendu, par l'étroitesse de leur passage
On comprend qu'en utilisant aux points imposants une matière de meil- leur isolement électrique, on puisse utiliser,pour les plaques 17-18, une matière ayant une résistance électrique inférieure à celle de la matière indiquée plus haut.
Cette matière pourrait avoir une composition lui donnant une perméabilité magnétique plus élevée; par exemple, on pourrait augmenter la proportion d'oxyde de fer. Comme on le voit figure 5, le guide 14 est entouré de trois côtés
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