Elektrischer Strom

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der 15 KV Gittermast hat einen Erdkabelanschluss welcher durch einen Kurzschluss in Brand geraten ist.
Foto: FFW Seehausen
Brand in einem Umspannwerk.
Foto: FFW Lüssow-Karow, Stefan Batarown
Kurzschluss an einem Strommasten.
Foto: FW Beckedorf-Metzendorf
Foto: Rainer Schwarz
hier ist ein Ballon in einer Überlandleitung mit 380 000 Volt (mit 6 Personen am 30.09.18) gelandet. Das führte zum Einsatz einer Manschaft der Höhenrettung der FW Essen in ca. 70 Meter Höhe. Ein Teil der Hochspannungsleitungen wurde stromlos geschaltet.
Foto: FFW Bottrop
ein Technischer Defekt löste diesen Brand aus
Foto:PRW
auf die Gefährlichkeit wird deutlich hingewiesen BR 0509
so sieht ein Stromnetz von oben aus
Rainer Schwarz
auch so etwas gibt es
Foto: BR
gewohnheitsbedürftig, aber funktioniert.
Foto: Rainer Schwarz
Stromverteilung von 320 V auf 230 V Foto: BR 0509
DDR-Strommessgerät
Foto: Rainer Schwarz
ältere Stromzähler mit Sicherungen in einem Wohnhaus Foto: Rainer Schwarz
ein Stromverteilungskasten der neuen Generation BR 0609
Arbeiter an einer Stromleitung
Foto: Rainer Schwarz
Überlandleitungen
Foto: BR 04 2011

Strom bedeutet Technik, Technik kann beschädigt werden oder versagen. Sollte es in einem Bereich zu einem Kurzschluss kommen und ist genügend Brandpotenzial vorhanden, so kann eine Wohnung in Schutt und Asche gelegt werden. Neben einem Rauchmelder ist es empfehlenswert, dass elektrische Geräte, die nicht benötigt werden, abgeschaltet werden bzw. der Stecker vom Netz gezogen wird.

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden, in wichtigen Fällen sind das Coulombgesetz|Coulomb- oder Lorentzkräfte. Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre.


Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist . Die zeitabhängige Stromstärke wird mit oder auch als bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischer Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das . Das Ampere ist Internationales Einheitensystem|SI-Basiseinheit.


siehe auch Artikel des GDV:








Fotos: Rainer Schwarz


Geschichte

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung (Physik) von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrisches Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischer Generator, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogenlampe und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke (Photometrie) besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel auch die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung waren unter anderem folgende Punkte:

  • Die Transformator|Transformierbarkeit des Wechselstromes auf beliebige Werte von beispielsweise 6 V für Ladegeräte bis 500.000 V für Röntgengeräte.
  • Bei der Leistung eines typischen Großkraftwerkes mit 1000 MW Leistung und einer bei Kleinverbrauchern üblichen Niederspannung von 230 V würde sich eine Stromstärke von etwa 4,5 MA ergeben. Dieser hohe Strom lässt sich unmöglich in einem Verteilernetz handhaben. Mit Transformatoren lassen sich diese Leistungen mittels Hochspannungen in den so genannten Verbundnetzen verteilen. Dies erzwingt aber Wechselstrom.
  • Die Drehstrommaschine ist robust und benötigt keinen Kommutator (Elektrotechnik), der sich abnutzen kann, funktioniert aber nur mit Wechselstrom.

Die Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren versprach zunächst Vorteile und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen war ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden. Aus heutiger Sicht wären auch extrem große Akuumulatoren erheblich zu klein, um nennenswerte Ladungen zu speichern. Und durch die Entwicklung der Leistungselektronik lassen sich beide Stromarten problemlos ineinander umwandeln, wie moderne Mehrsystemfahrzeuge beweisen.


Physikalische Zusammenhänge

Der elektrische Strom (bzw. genauer die elektrische Stromstärke) kann in der Physik formal ausgehend von der elektrische Ladung|elektrischen Ladung durch folgende Differentialgleichung definiert werden:

Der Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt die pro infinitesimalen Zeit|Zeitabschnitt fließende infinitesimale Ladung an. Ist der Strom konstant, so kann man auch schreiben:

Gleichwertig dazu kann der elektrische Strom auch über die Stromdichte in einem Strömungsfeld mittels folgender vektoriellen Intergralgleichung definiert werden:

Die Stromstärke ist somit gleich dem Flächenintegral der Stromdichte in einem elektrischen Leiter. Diese Definition ist dann sinnvoll anzuwenden, wenn man von der Beschreibung eines Vektorfeldes ausgeht und nicht von der Ladung .

Durch diese Festlegungen wird nur der sogenannte Leiterstrom beschrieben – dies ist jener elektrische Strom, welcher in einem elektrischen Leiter durch den Fluss von elektrischen Ladungsträgern getragen wird. Darüber hinaus gibt es noch den elektrischen Verschiebungsstrom welcher durch die zeitliche Änderungsrate des elektrischer Flussses dominant in einem Isolator bzw. im Vakuum vorhanden ist und beispielsweise den Strom durch einen Kondensator (Elektrotechnik) darstellt. Erst diese beiden Stromkomponenten, der Leitungsstrom und der Verschiebungsstrom, ergeben zusammen den wahren elektrischen Strom (engl. true current oder total current), welcher in der Elektrodynamik eine wesentliche Rolle spielt. Dieser Artikel handelt nur vom Leitungsstrom, weil innerhalb von elektrischen Leitern der Verschiebungsstrom bis zu sehr hohen Frequenzen im Röntgenstrahlung vernachlässigt werden kann.


Beispiel

Hier nun ein Beispiel zur Verwendung der ersten Definition:

Da in metallischen Leitern die Ladungsträger des elektrischen Stroms, die Elektronen, alle exakt dieselbe Elementarladung transportieren, kann man aus auch die Anzahl der fließenden Elektronen abschätzen. fließende Elektronen transportieren die Ladung

Fließt durch einen beliebigen Punkt einer elektrische Schaltung ein konstanter Strom von 1 Ampere so strömen pro Sekunde

also etwa 6 Trillionen Elektronen durch den Punkt der Schaltung.


Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol), auf der anderen Seite abgezogen (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung zwischen den Polen. Dieses Spannungsgefälle übt mechanische Kräfte auf die Ladungsträger aus. Diesen besonderen Zustand, in dem mechanische Kräfte auf Ladungsträger ausgeübt werden, bezeichnet man als elektrisches Feld, und dieses existiert immer dann, wenn zwischen beliebigen Raumpunkten elektrische Spannungen bestehen.

Ladungsträger, die diesem elektrischen Feld ausgesetzt sind, erfahren durch die mechanischen Kräfte im geschlossenen Stromkreis über einen elektrischen Widerstand eine Beschleunigung: Ein elektrischer Strom fließt. Die Trennung der Ladungen erforderte (in diesem Beispiel chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt.

In vielen Leitermaterialien ist die elektrische Stromstärke bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. Zur Beschreibung der Abhängigkeit dient die materialabhängige Stoffkonstante der elektrischen Leitfähigkeit. Diese Erfahrungstatsache findet dann etwas vereinfacht als ohmsches Gesetz Anwendung:

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmt somit die aufgebaute elektrische Spannung, abgekürzt , und die Größe des elektrischen Widerstandes erst die konkrete Stromstärke . Hingegen wird bei Verwendung einer Stromquelle die elektrische Spannung am Widerstand festgelegt. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert des elektrischen Stromes nach dem elektrischen Widerstand (auch Verbraucher genannt) richtet.


Messung des elektrischen Stromes

Der elektrische Strom kann direkt mit einem Strommesser gemessen werden. Heutzutage wird die Messung meist mit einem Digitalmultimeter vorgenommen, welches neben einem Strommesser auch noch einen Spannungsmesser zur Messung der elektrischen Spannung und auch die Messung des elektrischen Widerstandes bietet.

Für die Messung von sehr großen Strömen misst man die Spannung über einem Messwiderstand. Bei Wechselströmen von ca. 10 A aufwärts kommen auch Stromwandler zum Einsatz. Zur unterbrechungsfreien Messung zu Prüfzwecken eignen sich Zangenamperemeter.


Stromleitung in Metallen

In Metallen, man spricht auch von Leitern erster Klasse, kommt der Stromfluss dadurch zustande, dass im Atomverbund immer eine bestimmte Anzahl freier Elektronen, die sogenannten freien Leitungselektronen (Valenzelektronen) vorkommen. Die Gesamtheit dieser Leitungselektronen in einem Metall wird auch als Elektronengas bezeichnet – die Elektronen verhalten sich ähnlich wie Molekül|Gasmoleküle und führen ungeordnete Bewegungen aus, welche stark von der Temperatur des Metalls abhängen.

Die eigentliche Stromleitung im Metall kommt durch eine überlagerte Driftbewegung dieser freien Elektronen zustande. Diese Driftbewegung der Ladungsträger im Metall ist dabei vergleichsweise langsam: Die Drifteschwindigkeit der Ladungsträger beträgt beispielsweise bei Kupfer, welches ca. 1023 Leitungselektronen pro cm3 aufweist, und bei einer typischen Stromdichte von 10 A/mm2, nur rund 0,735 mm/s.

Da die Stromleitung in Metallen durch die Elektronen erfolgt und es dabei zu keiner stofflichen Änderung des elektrischen Leiters kommt, spricht man auch von elektronischer Stromleitung.


Ionenleiter

Bei Ionenleitern, man spricht von Leitern zweiter Klasse, kommt es im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters, ein Effekt, welcher bei der Elektrolyse ausgenutzt wird. Der Stromtransport ist dabei an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch geladene Atomen (Ionen) gebunden. Da die geladenen Atome zum Stromtransport beweglich sein müssen, kommen als Ionenleiter vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyte. Festkörper können in speziellen Fällen auch Ionenleiter sein.

Die chemischen Vorgänge im Elektrolyten verändern dabei allmählich die Beschaffenheit des Leiters und es kommt zu einer allmählichen Erschöpfung der elektrischen Leitfähigkeit. Es liegt daher keine elektronische Stromleitung vor.


Technische Stromarten Gleichstrom

Als Gleichstrom (engl. Direct Current, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, welcher über die Zeit nicht seine Stromrichtung und Stärke ändert, also zeitlich konstant ist.

Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigten für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotoren (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotoren ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlagen und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.

Gleichstrom kann durch Gleichrichter aus Wechselstrom gewonnen werden. Gleichrichter werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom aus dem mit Wechselstrom betriebenen öffentlichen Stromnetz gewonnen werden soll. Weiters gibt es auch direkte Gleichstromquellen, wie z. B. galvanische Zellen und photovoltaische Zellen. Darüber hinaus gibt es auch elektrische Maschinen, welche direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können. Ihre technische Bedeutung ist heute jedoch gering.

Arten des Gleichstroms oben: reiner Gleichstrom darunter pulsierender Gleichstrom (Mischstrom). GNU Free Documentation

Wechselstrom

Bei Wechselstrom (engl. Alternating Current, abgekürzt AC) kommt es zu einer laufenden, meist periodischen Änderung der Stromrichtung. Diese periodische Änderung wird als eine Frequenz ausgedrückt und gibt an, wie oft sich die Stromrichtung pro Sekunde ändert. Der technische Vorteil von Wechselstrom ist seine leichte Umwandelbarkeit zwischen verschiedenen Spannungen mit Hilfe eines Transformators. Daher findet Wechselstrom vor allem in öffentlichen Stromversorgungsnetzen Anwendung. In Europa und vielen anderen Ländern der Welt beträgt die Netzfrequenz der Stromversorgung 50 Hz. In Nordamerika und Teilen von Japan kommen hingegen Netzfrequenzen von 60 Hz zum Einsatz.

Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet. Diese Stromart ermöglicht besonders einfach gebaute und robuste Drehstrommaschine|Elektromotore.


Mischstrom

Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer kompletten Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke laufend und meist periodisch geändert (pulsierender Gleichsrom). Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf und wird mit Kondensatoren in Netzteilen geglättet. Diese elektrische Spannung wird als Brummspannung bezeichnet.


Elektro-Tankstelle in Soest
Foto: Rainer Schwarz

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist eines der Verfahren des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Automobil mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomographen bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben.

Elektrische Energie wird zumeist zentral in Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz an die Privathaushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, z. B. mittels Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern, gefördert. Wichtige Einrichtungen (z. B. Krankenhäuser) sind mit Notstromaggregaten ausgestattet, damit auch bei einem Stromausfall elektrische Energie zur Verfügung steht. Ist eine permanente Verbindung mit dem Stromnetz nicht möglich, z. B. bei Autos oder mobilen Geräten, so muss die elektrische Energie entweder zwischengespeichert oder direkt im Gerät erzeugt werden (z. B. mittels kleiner Solarzellen für Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie im großen Maßstab ist derzeit nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Akkumulator (Elektrotechnik) oder in noch größerem Maßstab z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Für eher kleinere Energiemengen werden Kondensator (Elektrotechnik) und Spule (Elektrotechnik) verwendet.

Der umgangssprachliche Ausdruck „Strom verbrauchen“ ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinausfließt. In der Tat ist es beim üblichen Haushaltsstrom sogar so, dass die Elektronen nur im Leiter ein kleines Stück hin- und her „wackeln“, ohne dass tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Elektronen aus der Leitung ins Gerät fließt. Was tatsächlich „fließt“, ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z. B. in mechanische Energie (Motor), Wärmeenergie (Haartrockner) und chemische Energie (z. B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der „Stromverbrauch“ auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt.

Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie Digital Subscriber Line|DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen.

Die Kommunikation mittels elektromagnetische Welle basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich.


Stromstärketabelle

  • Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
  • Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA
  • Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1.000 mA)
  • Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
  • Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A bis 1.000.000 A


Körperliche Auswirkungen des elektrischen Stromes

Elektrische Ströme sind ab einer gewissen Stärke für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken als 20 mA gefährlich. Man spricht dann auch von einem Stromschlag. Außerdem ist Gefährlichkeit der Stromstärke stark von der Einwirkdauer und auch von der Frequenz abhängig. So sind bei Gleichstrom höhere Stromstärken zulässig als bei technischem Wechselstrom von 50–60 Hz. Hochfrequente Wechselströme hingegen sind wesentlich weniger gefährlich, da diese Ströme durch den Skineffekt nur in den obersten Hautschichten fließen und daher nicht im Körperinneren liegende Organe wie das Herz beeinflussen (Teslatransformator).

Die folgende Tabelle gilt für Wechselstrom von ca. 50–60 Hz:


Stromstärke Dauer physiologische Auswirkungen
unter 0,5 mA beliebig lange Wahrnehmbarkeitsschwelle: Unter diesem Wert sind elektrische Wechselströme für den Menschen nicht wahrnehmbar.
unter 10 mA über 2 s Es treten im Allgemeinen keine pathophysiologischen Wirkungen auf.
unter 200 mA unter 10 ms
unter 100 mA über 500 ms Starke unwillkürliche Muskelreaktionen, welche zu dauerhaften Schäden führen können.
unter 1 A unter 200 ms
über 100 mA über 500 ms Zusätzlich zu starken unwillkürlichen Muskelreaktionen, welche zu dauerhaften Schäden führen können, tritt Herzkammerflimmern mit Wahrscheinlichkeit von über 1 % auf.
über 1 A unter 200 ms



Diese Werte sind statistische Werte, die je nach körperlicher Konstitution streuen können. Außer der Stromstärke und der Frequenz sind auch die Einwirkungsdauer und der Stromweg entscheidend. Besonders gefährlich sind dabei jene Stromwege, wo der Strom über das Herz fließt.

Durch den elektrischen Strom kommt es dabei zu einer störenden Beeinflussung der auch durch elektrische Signale an bestimmten Nervenenden (Synapsen) übertragenen Steuerimpulse des Herzen.

Die nebenstehende Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung. Unterhalb der grünen Linie besteht keine Gefährdung. Die weiteren Linien zeigen Bereiche mit steigender Wahrscheinlichkeit für Herzkammerflimmern.

Höhere Ströme als in dem dargestellten Diagramm, ab einigen 1 A aufwärts, verursachen auch schon bei sehr kurzer Einwirkungsdauer zusätzlich zu der nervlichen Beeinflussung vor allem thermische Schäden im biologischen Gewebe (Verbrennungen). Außerdem entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte. So kommt es bei Stromunfällen in Hochspannungsanlagen und im Bereich der elektrischen Oberleitungen bei der Bahn und selten auch bei direkten Blitzschlägen zu Verbrennungen am menschlichen Körper bei dem Stromeintritts- und Stromaustrittspunkt.

Ströme im Bereich einiger Ampere sind mit sehr großer Wahrscheinlichkeit tödlich.

Für den Körperwiderstand sollte als Höchstwert mit etwa 2 kOhm gerechnet werden; bei feuchter oder dünner Haut (z. B. bei Babys) ist der Wert deutlich kleiner.


siehe auch:


Literatur

  • Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik. 14. Auflage. Springer Verlag, ISBN 3-540-56500-0.


Weblinks




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