Paramagnétisme

Plonge dans le domaine délicieux des matériaux paramagnétiques, un segment crucial de l'étude de l'ingénierie. Dans ce guide complet, tu exploreras ce que sont ces matériaux, leurs propriétés distinctes et la façon dont leur dynamique comportementale change en fonction des températures et des champs magnétiques externes. Va plus loin et découvre les applications technologiques quotidiennes, leur rôle dans les domaines de l'ingénierie et la façon dont ils se différencient des matériaux diamagnétiques et ferromagnétiques. Enfin, perce les mystères entourant la susceptibilité magnétique et la perméabilité des matériaux paramagnétiques. Rejoins ce voyage de la connaissance pour maîtriser la merveille des matériaux paramagnétiques.

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Que sont les matériaux ferromagnétiques et comment se comportent-ils dans un champ magnétique ?

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Quels sont les quatre facteurs qui affectent la susceptibilité magnétique des matériaux paramagnétiques ?

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Quel est le rôle pratique des matériaux paramagnétiques dans la technologie de tous les jours ?

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Comment une augmentation de la température affecte-t-elle la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique ?

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    Que sont les matériaux paramagnétiques ?

    Dans le domaine de l'ingénierie, il est essentiel de comprendre les propriétés variables de divers matériaux. Les matériaux paramagnétiques en font partie. Ce sont des types de matériaux qui sont faiblement attirés par les champs magnétiques. Le terme

    Le terme paramagnétique fait référence à des matériaux comme l'aluminium et l'oxygène, qui ont des électrons non appariés. Les électrons non appariés ont un moment dipolaire magnétique, ce qui signifie qu'ils ont un pôle magnétique positif et un pôle magnétique négatif.

    Comprendre les propriétés des matériaux paramagnétiques

    Pour vraiment comprendre le concept des matériaux paramagnétiques, il est essentiel de se pencher sur leurs propriétés. Les matériaux paramagnétiques se distinguent par leur susceptibilité magnétique positive. Voici une liste qui t'aidera à te souvenir de quelques propriétés clés des matériaux paramagnétiques :
    • Le moment magnétique de chaque atome d'un matériau paramagnétique est dû au mouvement des électrons.
    • Les matériaux paramagnétiques possèdent un moment dipolaire magnétique permanent, attribué au spin des électrons non appariés.
    • Les matériaux paramagnétiques sont transparents aux lignes de force magnétiques.
    • S'ils sont placés dans un champ magnétique non uniforme, les matériaux paramagnétiques passeront d'une région de champ magnétique faible à une région de champ magnétique fort.
    La susceptibilité magnétique (\( \chi \)) d'un matériau paramagnétique, définie par l'équation : \( \chi = \frac{M}{H} \), où \( M \) est l'aimantation du matériau et \( H \) est l'intensité du champ magnétique.

    Par exemple, lorsque des substances paramagnétiques telles que l'aluminium sont placées dans un champ magnétique, elles s'alignent faiblement sur le champ.

    L'influence de la température sur les propriétés des matériaux paramagnétiques

    La loi de Curie décrit l'impact de la température sur les propriétés des matériaux paramagnétiques. Selon cette loi, la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique est égale à la température absolue : \[ \chi = \frac{C}{T} \] Où \( C \) est la constante de Curie et \( T \) est la température absolue. Selon cette loi, la température et la susceptibilité sont inversement proportionnelles, ce qui indique que lorsque la température augmente, l'aimantation ou l'ordre des moments dipolaires diminue.

    Il est intéressant de noter que les matériaux paramagnétiques respectent la loi de Curie-Weiss à des températures très élevées, ce qui modifie la loi de Curie en ajoutant une constante représentant le champ de Weiss. Ce champ apparent apparaît en raison de l'interaction dipolaire entre les électrons du matériau.

    Impact d'un champ magnétique externe sur les matériaux paramagnétiques

    Un autre aspect essentiel à comprendre au sujet des matériaux paramagnétiques est leur réaction à un champ magnétique externe. Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, les matériaux paramagnétiques se magnétisent dans la direction du champ externe. Le champ magnétique interne du matériau dû aux dipôles alignés est donné par : \[ B = \mu H \] Dans cette équation, \( \mu \) est la perméabilité magnétique du matériau, et \( H \) est l'intensité du champ magnétique. L'aimantation persiste temporairement aussi longtemps que le champ externe, et le matériau revient à son état non magnétique une fois que le champ externe est supprimé. En résumé, les matériaux paramagnétiques présentent des propriétés fascinantes dues à la présence d'électrons non appariés, et ces propriétés sont considérablement influencées par la température et les champs magnétiques externes. En tant qu'ingénieurs en herbe, il est essentiel de comprendre ces concepts, car ils sont à la base de nombreuses applications dans ce domaine.

    Applications pratiques et utilisations des matériaux paramagnétiques

    Les matériaux paramagnétiques, avec leurs diverses propriétés et comportements, ont des applications pratiques variées. Ils sont utilisés dans les secteurs de la science, de l'ingénierie et de la médecine, entre autres. La polyvalence de ces matériaux est due à leur réponse unique aux champs magnétiques et à l'influence réglable de la température sur leurs propriétés.

    Rôle des matériaux paramagnétiques dans les domaines de l'ingénierie

    Dans diverses applications d'ingénierie, tu rencontreras souvent des matériaux paramagnétiques. Ces matériaux sont importants en raison de leurs comportements magnétiques uniques. Une meilleure compréhension de leur fonctionnalité permet de mieux saisir leur importance dans le domaine de l'ingénierie.Lévitation magnétique : L'une des applications cruciales des matériaux paramagnétiques concerne les technologies de lévitation magnétique. La lévitation magnétique est adoptée pour soulever et propulser des objets tels que les trains à grande vitesse.Test des matériaux : Les ingénieurs utilisent fréquemment l'essai de susceptibilité magnétique pour l'identification des matériaux et le contrôle de la qualité. Cette technique mesure la force de la réponse d'un matériau lorsqu'il est soumis à un champ magnétique, ce qui est notamment utile pour différencier les substances paramagnétiques des substances diamagnétiques.Électronique : Dans la fabrication électronique, les matériaux paramagnétiques sont souvent utilisés dans la construction et le fonctionnement de nombreux appareils. Par exemple, certains types de radios et de télévisions font appel à ces matériaux.Stockage de données : Dans le domaine de l'ingénierie informatique, les matériaux paramagnétiques jouent un rôle central dans les dispositifs de stockage de données tels que les disques durs. Ces applications reposent sur la capacité des matériaux paramagnétiques à maintenir une magnétisation temporaire. Il existe une équation fascinante appelée théorie de Langevin du paramagnétisme qui décrit le comportement paramagnétique : \[ M = \frac{N \mu^2 B }{kT} \coth \left( \frac{\mu B}{kT} \right) - \frac{N \mu^2 B }{kT} \] Où \(M\) est l'aimantation, \(N\) est le nombre de moments magnétiques par unité de volume, \(\mu\) est le moment magnétique, \(B\) est le champ magnétique, \(T\) est la température absolue, et \(k\) est la constante de Boltzmann. Il est important de noter que cette équation fonde son principe sur la capacité des matériaux paramagnétiques à conserver leur magnétisation.

    Utilisations quotidiennes des matériaux paramagnétiques dans la technologie

    Les matériaux paramagnétiques sont entrés dans notre vie quotidienne par le biais de leur utilisation dans la technologie. Au-delà des applications reconnaissables dans les domaines de l'électronique et des transports, ces matériaux contribuent à plusieurs technologies courantes.Télécommunications : Les matériaux paramagnétiques jouent un rôle essentiel dans les télécommunications. Ils contribuent à améliorer la transmission et la réception des signaux dans des appareils tels que les téléphones mobiles et les radios.Santé : L'une des utilisations les plus importantes des matériaux paramagnétiques est la technologie des soins de santé, en particulier les outils de diagnostic. Par exemple, les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) dépendent fortement des propriétés de ces matériaux.Instruments météorologiques : Les matériaux paramagnétiques sont largement utilisés dans les outils météorologiques pour mesurer avec précision divers paramètres météorologiques. Par exemple, les analyseurs d'oxygène fonctionnent sur la base de la propriété paramagnétique de l'oxygène et sont utilisés pour les prévisions météorologiques et les études climatiques.Sécurité : Dans le secteur de la sécurité, les matériaux paramagnétiques sont utilisés dans des technologies telles que les détecteurs de métaux. En effet, ils distinguent les matériaux en fonction de leurs propriétés magnétiques. Cette vaste gamme d'applications témoigne de la polyvalence et de l'importance des matériaux paramagnétiques dans divers secteurs. Qu'il s'agisse d'un projet d'ingénierie crucial ou d'une technologie quotidienne, il est clair que ces matériaux façonnent et améliorent notre monde.

    Différencier les matériaux diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques

    Dans le domaine du magnétisme, il existe trois types élémentaires de comportement magnétique présentés par les matériaux, à savoir le diamagnétisme, le paramagnétisme et le ferromagnétisme. Chacun représente des réponses uniques aux champs magnétiques qui ont des implications variables pour leurs applications dans l'ingénierie et la technologie.

    Propriétés uniques des matériaux diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques

    Il est essentiel de comprendre les propriétés uniques de ces trois types de matériaux pour pouvoir les utiliser dans la pratique. Lesmatériaux diamagnétiques sont ceux qui n'ont pas d'électrons non appariés. Ils créent un champ magnétique induit dans une direction opposée à un champ magnétique appliqué à l'extérieur, et sont donc repoussés par le champ magnétique appliqué. Le bismuth, le cuivre et l'eau sont des exemples de matériaux diamagnétiques. L'une des principales propriétés des matériaux diamagnétiques est que leur susceptibilité est négative, comme le montre la formule : \[ \chi = - \frac{N e^2 r^2}{6 m} \omega^2 \] Ici, \(N\) est la densité de nombre des atomes, \(e\) est la charge de l'électron, \(r\) est la distance aléatoire moyenne de l'électron par rapport au noyau, \(m\) est la masse de l'électron, et \(\omega\) est la fréquence angulaire. Lesmatériaux paramagnétiques possèdent un ou plusieurs électrons non appariés qui sont attirés par un champ magnétique. Cependant, l'attraction exercée par les matériaux paramagnétiques sur un champ magnétique est bien moindre que celle des matériaux ferromagnétiques. L'aluminium et l'oxygène sont des exemples de matériaux paramagnétiques. Comme indiqué précédemment dans le contexte du paramagnétisme, la susceptibilité magnétique de ces matériaux est donnée par : \[ \chi = \frac{C}{T} \]Les matériaux ferromagnétiques ont une susceptibilité élevée aux champs magnétiques et s'aimantent fortement dans la direction du champ magnétique. Ils présentent un ordre à longue portée, les moments magnétiques voisins s'alignant les uns sur les autres même en l'absence de champ magnétique appliqué. Ce phénomène d'ordre à longue portée disparaît à une certaine température appelée température de Curie. Le fer, le cobalt et le nickel sont des exemples de matériaux ferromagnétiques. La relation mathématique qui décrit ce type d'ordre est la suivante : \[ \chi = \frac{C}{T - T_c} \] Où \(T_c\) est la température de Curie. Pour récapituler les propriétés clés :
    • Les matériaux diamagnétiques sont repoussés par un champ magnétique ; leurs lignes de champ sont, par conséquent, orientées vers l'extérieur.
    • Les matériaux paramagnétiques sont attirés par un champ magnétique, mais leur moment magnétique n'est que temporaire.
    • Les matériaux ferromagnétiques, en revanche, sont fortement attirés par un champ magnétique et conservent leur moment magnétique, même en l'absence de champ magnétique.

    Comparaison visuelle entre les matériaux diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques

    Pour comprendre visuellement les distinctions entre les matériaux diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques, considère leurs réactions à un champ magnétique. Dans un champ magnétique, les substances diamagnétiques s'alignent dans une direction perpendiculaire au champ, créant un champ magnétique dans la direction opposée. Ce phénomène est représenté dans le tableau suivant avec des représentations visuelles (les flèches signifient la direction du champ magnétique) :
    Matériaux diamagnétiques Matériaux diamagnétiques
    Les substances paramagnétiques ne conservent pas leur magnétisme en l'absence d'un champ externe, et donc, leur champ magnétique disparaît lorsque le champ externe est supprimé. Ce phénomène est représenté visuellement dans le tableau ci-dessous :
    Matières paramagnétiques Matériaux paramagnétiques
    Les matériaux ferromagnétiques, en revanche, conservent leur magnétisme même en l'absence de champ extérieur. Ils s'alignent parallèlement à la direction du champ et renforcent notablement le champ magnétique. Cette différence essentielle est représentée visuellement ci-dessous :
    Matériaux ferromagnétiques Matériaux ferromagnétiques
    Ces représentations montrent clairement comment ces trois types de matériaux interagissent avec les champs magnétiques de manière tout à fait distincte. Ces interactions sont à la base de nombreuses innovations dans le domaine de l'ingénierie et au-delà. La compréhension du paramagnétisme, en particulier, ouvre la voie à la compréhension de phénomènes magnétiques plus complexes tels que le ferromagnétisme et l'antiferromagnétisme.

    Comprendre la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique

    La susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique, un concept que tu as peut-être déjà rencontré si tu t'intéresses au magnétisme, est un paramètre essentiel qui aide à définir la façon dont un matériau réagit à un champ magnétique appliqué. C'est une propriété mesurable qui a une relation étroite avec la température - un détail qui mérite d'être exploré dans les matériaux paramagnétiques.

    Facteurs influençant la sensibilité magnétique des matériaux paramagnétiques

    Les matériaux paramagnétiques ont un charme unique dans le monde du magnétisme et leur susceptibilité magnétique - une mesure de l'intensité de l'aimantation d'un matériau dans un champ magnétique appliqué - est affectée par plusieurs facteurs, à savoir : 1. La température: Il est crucial de comprendre la théorie sous-jacente à cette question. La susceptibilité d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température absolue. Ce principe, souvent connu sous le nom de loi de Curie, a été découvert par Pierre Curie et est représenté par l'équation suivante : \[ \chi = \frac{C}{T} \] Ici, \(\chi\) est la susceptibilité magnétique, \(C\) est la constante de Curie, et \(T\) est la température absolue. La proportionnalité inverse de la susceptibilité à la température est la raison pour laquelle les substances paramagnétiques perdent leur magnétisme en chauffant. 2. Champ magnétique externe: En règle générale, plus le champ magnétique externe appliqué est important, plus l'alignement magnétique au sein du matériau est important et plus l'aimantation induite est importante (jusqu'à un certain point de saturation). Cette magnétisation induite n'est pas conservée une fois que le champ externe est supprimé en raison du mouvement thermique aléatoire des atomes. 3. Structure interne du matériau: Le nombre d'électrons non appariés dans la structure atomique du matériau joue un rôle central dans la détermination de son comportement magnétique. Plus il y a d'électrons non appariés, plus la réponse à un champ magnétique externe est importante, ce qui se traduit par une valeur plus élevée de la susceptibilité magnétique. 4. La nature du matériau: Tous les matériaux paramagnétiques ne sont pas égaux. Les différences dans la composition élémentaire et la nature moléculaire des divers matériaux signifient que la force de l'interaction avec un champ magnétique, et donc le degré d'alignement, peut varier considérablement d'un matériau à l'autre. Tous ces facteurs travaillent ensemble dans un équilibre délicat pour déterminer la force et la nature du paramagnétisme d'un matériau, ce qui en fait un domaine d'étude fascinant dans le domaine du magnétisme.

    Analyse de la relation entre la susceptibilité magnétique et la température

    L'une des principales caractéristiques d'une substance paramagnétique est son coefficient de température positif - en termes simples, sa susceptibilité magnétique diminue lorsque la température augmente. À y regarder de plus près, ce phénomène apparemment paradoxal est tout à fait logique : à des températures plus élevées, les atomes d'un matériau paramagnétique acquièrent plus d'énergie cinétique. Par la suite, il devient plus difficile pour un champ magnétique appliqué d'aligner ces atomes "excités" - l'agitation thermique accrue fonctionne dans la direction diamétralement opposée à la propriété d'alignement du champ externe. Par conséquent, des températures plus élevées réduisent l'aimantation nette d'un matériau, ce qui entraîne une diminution de la susceptibilité magnétique. Ce phénomène est élégamment résumé dans la loi de Curie, comme nous l'avons déjà mentionné : \[ \chi = \frac{C}{T} \] Cette relation entre la susceptibilité magnétique (\(\chi\)) et la température (\(T\)) consolide davantage la compréhension des matériaux paramagnétiques. Les scientifiques et les ingénieurs tracent souvent la susceptibilité en fonction de la température pour visualiser ce comportement, ce qui révèle souvent une courbe hyperbolique. Il est intéressant de noter que la susceptibilité se rapproche de zéro lorsque la température s'approche de l'infini, alors qu'elle croît indéfiniment lorsque la température s'approche du zéro absolu. Dans le grand ordre des choses, il est impératif de comprendre la relation inverse entre la susceptibilité des matériaux paramagnétiques et la température. Cette connaissance n'est pas seulement pertinente pour la curiosité scientifique de base, mais elle a des implications de grande portée dans diverses applications technologiques et d'ingénierie. Une bonne compréhension et une manipulation efficace de ces propriétés paramagnétiques titillantes pourraient conduire à la réalisation d'un stockage de données plus efficace, de meilleurs systèmes de télécommunication, de développements substantiels dans le secteur des transports et bien d'autres choses encore - tout cela témoignant du rôle central que joue le paramagnétisme dans notre vie de tous les jours.

    Connaître la perméabilité des matériaux paramagnétiques

    Dans le domaine de l'ingénierie, en particulier lorsqu'il s'agit d'électromagnétisme, il est important de comprendre le concept de "perméabilité magnétique". En termes simples, il s'agit d'une mesure généralement utilisée pour analyser la façon dont un matériau magnétique réagit à un champ magnétique. Lorsqu'il s'agit de matériaux paramagnétiques, la perméabilité a des implications distinctes, qui fournissent des informations passionnantes sur ces substances.

    Facteurs influençant la perméabilité des matériaux paramagnétiques

    Dans le cas des matériaux paramagnétiques, la perméabilité magnétique est influencée par divers facteurs qui en font des matériaux intéressants à étudier. Pour approfondir ta compréhension de ce concept, voici une exploration détaillée de ces facteurs : 1. Champ magnétique externe: Comme pour de nombreux matériaux, la perméabilité d'un élément paramagnétique peut être influencée par la force d'un champ magnétique externe qui lui est appliqué. Lorsque le champ magnétique appliqué est plus fort, la susceptibilité du matériau paramagnétique augmente - ce qui se traduit par une perméabilité magnétique plus élevée. 2. La température: Tout comme la susceptibilité d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température (selon la loi de Curie), la perméabilité des matériaux paramagnétiques diminue également lorsque la température augmente dans des conditions atmosphériques normales. 3. Structure interne: La facilité avec laquelle un matériau peut être magnétisé (ce que décrit en fait la perméabilité) est également influencée par la structure interne d'un matériau, plus précisément par le nombre d'électrons non appariés présents. S'ils sont plus nombreux, les matériaux paramagnétiques sont plus faciles à magnétiser, ce qui se traduit par une perméabilité plus élevée. 4. Nature du matériau: Il convient de comprendre que la nature des matériaux paramagnétiques a également une influence significative sur la perméabilité. Par exemple, des éléments comme l'aluminium ou le platine, bien que paramagnétiques, ont des perméabilités différentes en raison des différences dans leur configuration électronique interne et de la nature de leurs dipôles magnétiques. 5. Fréquence du champ magnétique: Si le champ magnétique appliqué varie dans le temps, la fréquence de cette variation peut également influencer la perméabilité des matériaux paramagnétiques.

    En résumé, la perméabilité d'un matériau paramagnétique est régie par un équilibre délicat de facteurs qui méritent d'être soigneusement pris en compte pour toute application dans laquelle ces matériaux peuvent être utilisés. En adaptant ces variables, la perméabilité d'un matériau peut être affinée pour des utilisations pratiques spécifiques.

    Variation de la perméabilité dans les différents matériaux paramagnétiques

    Bien que tous les matériaux paramagnétiques suivent les règles générales de perméabilité, l'étendue de leur perméabilité varie et n'est pas identique pour tous ces types de matériaux. Cette disparité est principalement due aux différences de structures atomiques et moléculaires du matériau, car ces différences affectent le nombre d'électrons non appariés, qui à son tour influence la perméabilité. Par exemple, la perméabilité de certaines terres rares telles que le gadolinium ou l'erbium peut dépasser de manière significative celle d'autres matériaux paramagnétiques plus courants tels que l'aluminium ou le cuivre. De même, l'oxygène, qui n'est généralement pas considéré en termes magnétiques, présente un comportement magnétique substantiel dans les bonnes conditions en raison de sa perméabilité paramagnétique. Un autre aspect crucial à prendre en compte est la relation compliquée entre la perméabilité et la susceptibilité d'un matériau. Elle est donnée par la formule suivante : \[ \mu = \mu_0 (1 + \chi) \] où \(\mu\) est la perméabilité du matériau, \(\mu_0\) est la perméabilité de l'espace libre, et \(\chi\) est la susceptibilité volumique du matériau. Cette relation mathématique relie la perméabilité à la susceptibilité. Même de petites variations de la susceptibilité peuvent entraîner des variations détectables de la perméabilité, ce qui complique la tâche consistant à comprendre pourquoi les matériaux paramagnétiques individuels réagissent différemment dans un champ magnétique. C'est le résultat cumulatif de ces facteurs qui rend les substances paramagnétiques particulièrement fascinantes du point de vue de l'ingénierie. Cette compréhension laisse entrevoir la raison de leur large éventail d'applications, de l'imagerie médicale au stockage de l'information. En fait, la compréhension de la perméabilité des matériaux paramagnétiques dévoile un segment fascinant de la science des matériaux.

    Matériaux paramagnétiques - Points clés

    • Les matériaux paramagnétiques possèdent des électrons non appariés et présentent des propriétés fascinantes influencées par la température et les champs magnétiques externes.
    • Parmi les diverses applications pratiques des matériaux paramagnétiques, en particulier dans les secteurs de la science, de l'ingénierie et de la médecine, figurent les technologies de lévitation magnétique, les essais de matériaux, l'électronique et le stockage de données.
    • Les matériaux diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques présentent chacun des réponses uniques aux champs magnétiques : les matériaux diamagnétiques se repoussent, les matériaux paramagnétiques sont temporairement attirés et les matériaux ferromagnétiques sont fortement attirés et conservent leur magnétisation.
    • La susceptibilité magnétique des matériaux paramagnétiques mesure la réaction d'un matériau à un champ magnétique appliqué et elle est inversement proportionnelle à la température.
    • La perméabilité magnétique est essentielle pour analyser la façon dont un matériau magnétique, y compris paramagnétique, réagit à un champ magnétique.
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    Questions fréquemment posées en Paramagnétisme
    Qu'est-ce que le paramagnétisme ?
    Le paramagnétisme est une propriété des matériaux qui sont attirés par un champ magnétique externe en raison de la présence de moments magnétiques non appariés.
    Quels matériaux sont paramagnétiques ?
    Les matériaux paramagnétiques incluent l'aluminium, le platine et certains sels métalliques, où tous les moments magnétiques ne sont pas appariés.
    Quelle est la différence entre paramagnétisme et ferromagnétisme ?
    La différence est que le paramagnétisme est une faible attraction au champ magnétique, tandis que le ferromagnétisme est une forte attraction avec une aimantation persistante même sans champ externe.
    Comment mesure-t-on le paramagnétisme ?
    Le paramagnétisme se mesure en utilisant une balance de Gouy ou un magnétomètre SQUID pour détecter la susceptibilité magnétique du matériau.

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