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Biréfringence dynamique des colloides (effet Maxwell), influence du solvant

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Biréfringence dynamique des colloides (effet Maxwell),

influence du solvant

Charles Sadron

To cite this version:

(2)

LE

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

ET

I.E RADII1M

BIRÉFRINGENCE DYNAMIQUE

DES COLLOIDES

(EFFET MAXWELL),

INFLUENCE

DU SOLVANT

Par CHARLES SADRON.

Faculté des Sciences de

Strasbourg.

Sommaire. 2014 On calcule 2014 en appliquant la methode de Langevin - la birefringence d’une suspen-sion dans un liquide de particules en forme d’ellipsoïdes de révolulion allongés dont les axes sont orientés

en moyenne. On montre que cette biréfringence est la somme de deux termes : l’un dépend de l’anisotropie

optique de la particule, et l’autre de son anisotropie géométrique.

Les résultats du calcul sont explicités dans le cas où l’orientation est produite par l’écoulement du

liquide selon un gradient de vitesse constant, On montre qu’ils sont en bon accord avec les resullats des

mesures sur des solutions de polystyrolènes et de nitrocelluloses.

On explique ainsi l’inversion du signe de l’effet Maxwell pour certaines solutions et l’on montre que,

de l’étude judicieuse des propriétés dynam o-optiques des solutions colloïdales, on peut tirer d’importantes conclusions relatives à la forme et à la structure des particules dissoutes

StRiE

VII.

TOMB VIII.

No

12.

DECEMBRE 1937.

1. -Nous consid6ronsdansce

qui

suit un milieu

cons-titue par un

liquide

dans

lequel

sont

dispers6es

des

particules

en forme

d’ellipsoide

de r6voluLion

allong6,

toutes

identiques

entre elles. Ces

particules

sont

grandes

par

rapport

aux dimensions des mol6cules du

solvant,

mais

cependant

assez

petites

pour Atre

sou-mises au mouvement brownien. Un tel milieu nous

servira de schema pour 1’6tude des

propri6t6s

dynamo-optiques

des solutions colloidales

monodispersées.

Lorsque

le

liquide

est au repos les axes des

ellip-soides sont orienL6s au hasard.

Lorsqu’il

s’6coule il n’en est

plus

de meme : 1’existence d’une direction d’orientation

privil6gi6e

se manifeste en

g6n6ral

par

1’apparition

dine

anisotropie optique

du milieu

qui

devient

bir6fringent.

Ce

phénomène

fut d6couvert par Maxwell

(1),

puis

6tudi6 par Kundt

(2)

et de nombreux

exp6rimentateurs.

Nous nous proposons, dans ce

qui

suit,

de calculer

d’une

faqon

616mentaire la

bir6fringence

dans 1’effet Maxwell de mani6re a

expliquer

un certain nombre de r6sultats

exp6rimentaux

obtenus tant par nous que

par d’autres auteurs.

2. -

Pour 6tudier commod6ment les

propri6t6s

dynamo-optiques

du

liquide

on realise

tin

6coule-(1) Pour la description du dispositif experimental voir par

exemple Sadron (6) ou (7).

ment plan,

laminaire,

parallele,

a deux dimensions et de

gradient

de vitesse constant. Nous supposerons, par

exemple,

que le

liquide

est contenu entre deux

parois

solides

planes, parallèles

et

inii6finies,

distantes

de

1’intervalle d,

et dont les traces sur le

plan

de

figure

Fig. 1.

(plan

de

1’6coulement)

soiit P,

Si

mainte-nant on

imagine

que l’une des

parois, I’2

par

exemple,

glisse

dans son

plan

avec une vitesse constante U

con-tenue dans le

plan

de

figure,

la vi resce u en

chaque

point

du

liquide

est

parallèle

a U. En un

point

JJI situ6

a la

distance ?/

de

P1

on a :

on G

= ’:!

est le

gradient

constant de vitesse.

d

LR JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SBRIB VII. -

T. VIII. - N° 12. - DBCEMBRE 1937.

33.

(3)

482

Lorsque le

r6g!me

permanent

est

établi,

toute

parti-cule

passant

en M est animee d’un mouvement de translation de vitesse 2c

et,

autour de son

centre,

d’un

mouvement de rotation dont

Jeffery

(3)

a donn6 les

equations g6n6rales.

Nous nous

placerons

dans le cas

particulièrement

simple

ou les axes des

ellipsoides

sont situes

initiale-ment dans le

plan

de

1’ecoulement, ils y

restent alors indefiniment et l’on tire des

6quations

de

Jeffery

1’expression

de la vitesse

angulaire :

ou 0

represente 1’angle (defini

a z

près)

de 1’axe de la

particule

avec la direction de

1’6coulement, a

la

longueur

du

grand

axe de la

particule

et b celle du

diamètre du cercle

equa torial.

On voit imm6diatement que la vitesse de rotation

pr6sente

un minimum

et un maximum

Il s’en suit que le

nombre p

(6).

do des

particules

par unite de volume dont les axes ont une direction

com-prise

entre 6 et 8

-~-

do est maximum pour 8 _-__ 0 et

l’on

peut

dire que les

particules

sont en moyenne

orient6es dans la direction de 1’ecoulement. 11 est clair que ce

type

d’orientation est tout a fait diff6rent de celui que 1’on obtiendrait par un

champ électrique

ou

magn6tique :

dans ce cas en effet les

particules

seraient

irnmobiles,

tandis que dans le cas

qui

nous occupe

elles tournent sur elles-m6me. En

particulier

si l’on fait intervenir la diffusion d’orientation on

obtient,

dans le cas de

1’ecoulement,

ce r6sultat

remarquable

que la direction

privil6gi6e

n’est

plus

en

general

celle de 1’ecoulement : elle

depend

du

gradient

de vitesse

ct de la

grandeur

de la constante D de diffusion d’orientation.

En effet Boeder

("),

puis

Guth

(~),

en

appliquant

un

raisonnement

classique,

6tablissent,

que la densite d’orientation p

(6)

doit satisfaire a

1’equation

differen-tielle :

ou encore, en

posant

a -

G/D :

L’int6gratioa

est facile dans les deux cas extr6mes

suivants.

I- « tend vers l’infini : alors la diffusion est

n6gli-geable

et l’on retrouve la

r6partition

de

Jeffery.

2° 0: est assez

petit

pour que les termes en (1.2 soient

n6gligeables.

Dans ce cas

l’int6gration

faite selon la m6Lhode de Boeder fournit

1’expression :

ou .1’

repr6sente

le nombre de

particules

par unite de volume,

On voit que p est maximum pour 0 = 4S°. La

direc-tion

privil6gi6e

est maintenant a 45° de la direction de 1’6coulement.

De 1’etude

complete

faite par Boeder il ressort que

I’angle cp

de

la direction d’orientation moyenne avec

celle de 1’ecoulement d6cro!L d’une

fa~on

continue de 45° a 0

quand a

croit de z6ro a

1’infini,

et que 1’on peut poser pour des -valeurs de a voisines de z6ro :

ou k est une constante

num6rique ind6pendaiite

du milieu etudie.

3. Les noticns

pr6c6dentes

étant admises supposons

qu’un

faisceau de lumière

parallele, polarise

rectiligne-ment,

traverse le

liquide perpendiculairement au plan

de 1’6coulement. 11 est a sa sortie

polarise

elliptique-ment. L’une des

lignes

neutres a

laquelle

nous donnons le

n* 1

est

parallèle

4 la direction moyenne d’orientation 11 s’en suit

qu’elle

fait avec la direction de 1’ecoulement un

angle 6gal

a o, variant entre 0 et 4~°. Cette conclusion

est,

en gros, en bon accord avec les faits observ6s

(voir

par

exemple fig. 2).

On doit

cependant

remarquer

que : .

1 ° Les valeurs de a

exp6rimentalement

obtenues ne

sont pas, le

plus

souvent, assez

grandes pour que 1’on

puisse

conclure avec certitude que la valeur limite de cp pour a infini est bien nulle. Nous avons m6me cru

pouvoir indiquer,

dans un

pr6c6dent

travail

I’),

que cette limite était en

g6n6ral

diii£rente de z6ro et

qu’elle

dependait

de la grosseur et de la forme des

particules.

2° Pour les tres

petites

valeurs de « la

birefringence

6tant tres

faible,

la d6termination

de tq

devient difficile et il est

possible

de commettre des erreurs consid6ra-bles,

3° Enfin les mesures sont faites sur des solutions colloidales

qui

peuvent

contenir des

parLicules

de dimensions tres diff6rentes. Alors la

courbe cp

(a)

-ainsi que nous le montrerons dans un

prochain

travail

-

peut

differer consid6rablement de celle que l’on obtient dans un milieu

monodispers6.

Ces r6serves 6tant faites nous admettrons que la

th6orie de Boeder est v6rifi6e en ce

qui

concerne la

position

des

lignes

neutres.

D6signons

maintenant par n, et n2 les indices de refraction du milieu

lorsque

le vecteur

électrique

inci-dent est

parallèle

a l’une ou 1’autre des

lignes

neutres let 2

(nl

est alors l’indice

extraordinaire,

Jl2 l’indice

ordinaire).

(4)

Lange-vin

(1)

dans sa tb6orie de la

bir6fringence

électrique

ou

magn6tique

des

liquides

purs. Nous suppo.erons donc que les

particules ellipsoidales,

tout comme les mol6cules du

solvant,

sont

justiciables

du schema a electrons fixes de

Langevin.

Les

propri6t6s optiques

de

chaque

particule

ont alors les m6mes

sym6tries

que celles d’un

ellipsoyde;

nous admettrons en

plus

que ce

dernier a les m6mes axes que ceux de

l’ellipsoide

g6om6trique.

Dans ces conditions il

existe, pour

chaque

particule,

deux

polarisabilit6s

principales :

l’une 6i

entre en

jeu quand

le

champ

incident est

parallèIe

a 1’axe de revolution de la

particule,

1’autre C2

quand

il

est contenu dans le

plan 6quatorial.

Nous

désignerons

par J’i 1 et

6’2

les

grandeurs correspondantes

relatives

aux molecules du solvant.

Ceci

pos6,

calculons les valeurs

At et A 2

de la

polari-sation du milieu sous l’influence du

champ 6lectrique

lumineux incident h

lorsque

ce dernier est

parall6le

aux directions I et 2. Dans chacun de ces cas A est la

som me de la

polarisation

a des

particules

et de la

pola-risation a’ des molecules du solvant.

1° Calcul de a’. - Nous

admettrons,

selon

Langevin,

que le

champ

de

polarisation

s’eXArçant

sur une mole-cule du solvant est le m6me que celui

qui

s’exerce dans

une cavite

sph6rique.

Le

champ

total

s’exercaut

sur la mol6cule est alors :

(etant

entendu que la relation ci-dessus

remplace,

pour les commodit6s de

1’ecriture,

les deux relations

avec indices obtenues

lorsque

h est

parall6le

aux

direc-tions 1 et 2. Cette manière d’6crire sera encore utilis6e dans la

suite).

Fig. 2. -

Exemples de variations de p en fonction du gradient de vitesse.

(Solutions de nitrocellulose dans la

cyclohexanone.)

Soit 0’

1’angle

que fait 1’axe de r6volution d’une mole-cule du solvant avec la direction

privil6gi6e

l.

Le

champ It,

lorsqu’il

est

parallèle

4

1,

induit dans la mol6cule un doublet

électrique

dont la

projection

du moment sur cette direction est :

La somme de ces valeurs pour toutes les mol6cules

du solvant contenues dans l’unit6 de volume est

juste-ment

6gale A

On a donc :

of

Le même calcul effectup.

lorsque

h est

parall6le

a la

direction 2 fournit :

ou

~° Calcul de a. - 11 s’effectue comme

ci-dessus,

mais avec la diff6rence que l’on ne

peut

plus

admettre

l’isotropie

du

champ

de

polarisation.

Ce dernier est

encore

proportionnel

a A mais le facteur de

propor-tionnalit6 est

6gal

si la

polarisation

est

parallele

à

1’axe de

r6volation,

a

lb

si elle est

parallèle

au

plan

diam6tral de la

particule.

Maxwell a donn6 pour ces

coefficients les

expressions :

(5)

484

Nous poserons, pour

la symétrie

des calculs :

Le moment du doublet induit par le

champ h

paral-lele a la direction 1 sur une molecule faisant

l’angle

6

ave,c cette

direction,

a pour

projection :

De sorte que :

of

et

Lorsque

le

champ

incident est

parall6le

a la direc-tion

2,

on a de m6me :

o ii

et

Expression

de

At et

de

A,.

-~ Nous

avons

mainte-nant pour les valeur

principales

de la

polarisation :

1 nous est maintenant

possible

de calculer les indices de refraction. En

effet,

quand

le

champ

incident est

paial lfle

a l’une ou l’autre des directions

principales,

le,

equations

de Maxwell-Hertz nous

permettent

d’p rice :

En 41inxinant A entre cette

expression

et les expres-·ions

pr6c6dentes

il vient :

Supposons

maintenant que les concentrations soient

assez faibles pour que l’on puisse

n6gliger

les termes en (12. Comme les

int6grales

I et sont

proportion-nelles a lV nous pouvons écrire les

6quations

dentes sous la forme

generale :

-.

Si nous admettons maintenant que le solvant n’east

pas orient6 par 1’ecoulement

(’)

l’on a :

ou no

représente

son indice de réfraction. L’on obtient

allots,

eh

d6signant

par A

les

expression

de la forme

C’est

1’equation g6n6rale

de la

bir6fringence

dw milieu.

Nous remarquerons tout d’abord

qu’elle

a été obtenue sans que nous ayons

explicit6

la loi le

répar-tition des

particules.

Elle est donc

applicable quelle

que soit la manière dont on

produit

1’orientation.

Cette

6quation

montre que la

bir6fringence

d’une

solution colloidale est la somme de deux termes :

L’un

1,

-

12

depend uniquement

des

proprietesv

optiques

des

particules;

il est nul si elles sont

optique-ment

isotropes ;

L’autre ~’

(Hi

-

depend

dyes

coefficients Ëa

et êb,

c’est-à-dire de la forme Ies

particules;

il est nul si celles-ci sont

sph6riques

mais il est different de zéro. pour des

particules ellipsoidales,

m6me si elles sont

optiquement isotropes.

Enfin il

depend

de l’indice du solvant.

Nous retrouvons là des

propri6t6s generales

d6jh

enonrees par Wiener

(1,

a la suite de consid6rations différentes.

Remarquons enfin que si

n, - n2 est

petit

on

peut

poser comme 1’a fait

Langevin :

et par suite écrire notre

6quation

fondamentale sous

la forme:

4. -

Appliquons

les résultats

-6n6raux pr6c6dents

au cas

particulier

de l’orientation

dynamique

avec

petites

valeurs de a. La densite d’orientation est alors donnee

(1) Le cas ou le solvant est orientf sera trait6 comme cas

(6)

par

1’equation

(1)

et les

int6grales

7 et ~K

prennent

les

cxpressions

suivantes :

La formule

g6n6rale

de la

bir6fringence

devient :

Nous allons la comparer a

1’exp6rience.

Supposons +

pour cela que les grosses

particules,

provenant

d’une

meme

substance,

soient dissoutes dans des solvants

d’indices divers. Si nous admettons que,

quel

que

soit"

le

solvant,

les

parlicules

gardent

la meme forme et les

mêmes

dimensions,

les seuls

parametres qui

varient ,dans

1’expression g6n6rale quand

on

1’appiique

aux i

diverses solutions sont :

Mais la constante de diffusion D est inversement

,proportionnelle

a la

viscosit£ p

du milieu. Nous

pose-rons done D ==

Do .

ou

D,

est un facteur

dependant

P.

uniquement

du volume et de la forme des

particles,

’est-11-dire un facteur constant

d’apres

notre

hypo-th6se. 11 s’en suit que nous pouvons écrire :

ou

e~t

gardent

une valeur constante

quand

on passe d’un

sol-vant a un autre.

Si done on

porte

en abscisses les valeurs de

no - 1

-E- ~

et en ordonn6es celles

(n,

-

n2)

’20

.

A 0

-t-

)2

(determines par 1’eYperience),

les

points repr6sentatifs

4oivent se

placer

sur une droite.

Celle-ci,

de

plus,

doit

-lvoir un coefficient

angulaire n6gatil.

En effet le

signe

de B est celui de - Or

le

champ

de la

polari-sation,

parallèlement

au

grand

axe de

l’ellipsoide,

doit être

plus

petit

que celui

qui

existe dans une cavite

sph6rique.

11 s’en suit que Ea est

n6gatif.

Pour la raison

oppos6e

Eh est

positif.

Donc B est

negatif.

Si les conditions sont telles que A est

positif,

il est

possible

que, pour un certain

solvant,

l’indice 17 de

refraction ait une

valeur "f¡ telle que :

11

peut

done arriver que, pour une solution donn6e

1’effet Maxwell soit nul. Pour les solutions d’indice

supd-rieur la

bir6fringence

sera

n6gative,

et pour celles

d’indice inf6rieur

positive.

Fig. 3. -

Birefringence dynamique de diverses solutions de

polystyrolènes (c = 0).

Ces conclusions sont en excellent accord avec

1’exp6-rience. ainsi que l’on peut s’en rendre

compte par les

graphiques

de la

figure 3,

illustrant le tableau I.

Les nombres ont ete tires des mesures de

Signer

~1)

(1) Je présente ici mes bien vifs remerciements a M. R. Signer,

professeur a l’Universit6 de Berne, pour 1’aide efficace qu’il a

bizn voulu m’apporter en me communiquant les r6sultats des

mesures faites dans son laboratoire et en mettant a ma

(7)

486

relatives a deux

polystyrolenes

dont les masses

mole-culaires,

d6termin6es sur les solutions par m6thode

osmotique,

sont de 1B3000

(polyst. I)

et de 175 000

(polyst. 2).

Remarquons

que, pour faire une

comparaison

cor-recte avec

Inexperience,

il faut considérer des valeurs

tres faibles de la concentration C’est

pourquoi

nous avons

pris,

comme valeur de

lBl

la valeur limite R

A

de ce

rapport pour ’ =

0,

tir6e par

extrapolation

des mesures faites a diverses concentrations.

TABLEAU I. -

(lVon1bres

tirés des 111esuries de

Signer.)

Fig. 4. -

Bir6fringence dynamique de diverses solutions de nitrocellulose (c = 4,5 pour !00).

On

voit,

sur le

graphique

relatif au

polystyrolène 2

que deux

points

se trouvent en dehors de la droite : L’un est relatif aux solutions dans la t6tratine. Mais

c’est un fait 6tabli par

Signer

(1°)

et par moi-meme

(11)

que les solutions de

polysLyrol6ne

dans la L6traline et

dans la

cyclohexanone

se conduisent d’une

faon

anor-male : leur

bir6fringence

dynamique n’est pas

propor-tionnelle a G merne pour de tres

petites

valeurs de ce

parametre.

L’autre est relatif aux solutions dans le dioxane pur,

mais il est curieux de constater que 1’anomalie

dispa-rait

lorsque

le dioxane est

melange

d’eau.

Enfin la th6oric est

également

en accord avec les r6sultats de nos mesures sur les solutions de

nitrocel-lulose,

ainsi que le montre la

figure

4 illustrant le tableau II. Seuls les

points

relatifs aux solutions dans

1’alcool

m6thylique

et I’ac6toiie s’6cartent notablement de la droite sur

laquelle

se

placent

avec une bonne

pr6-cision les

points

relatifs aux

cinq

autres solutions. Ces

acarts sont

peut-6tre

dus a ce que les valeurs cie

n1- n2

N utilis6es sont relatives a la concentration de pour 100

et non pas a la limite de ce

rapport

pour

0,

comme

c’etait le cas pour les

polystyrolènes.

(8)

surprenant.

Nous avons en effet

suppos6

que les

par-ticules dissoutes restaient

identiques

à elles-mames

quel

que soit le solvant. Ceci n’est pas

possible

si l’on

~admet,

comme c’est

generalementle

cas,

qu’une

couche

importante

de mol6cules du solvant est fix6e sur la

particule.

Alors non seulement la forme et les dimen-sions de la

particule

616mentaire doivent

d6pendre

des

propri6t6s

mol6culaires du

solvant,

mais encore ses

propri6t6s optiques.

Les

points repr6sentatifs,

sur les

figures

3 et

4,

devraient donc

pr6senter

une

dispersion

considerable. Or les ecarts avec la droite ne se

pr6-sentent

qu’exceptionnellement.

Certes dans le cas

par-ticulier de la solution de

polysty rolene

dans les

m6lan-es

de dioxane et d’eau on est

obli-6

de supposer

que des mol6cules d’eau se fixent sur les

particules

pour

expliquer

la variation de la

bir6fringence

avec la

composition

du solvant. Mais dans le cas

general,

au

contraire,

on est amene 4 conclure que la solvatation

est extr6mement faible : c’est la une conclusion que

M-1

Dobry

(12)

a

d6jh

tir6e de ses mesures sur la

vis-cosit6 et la

pression

osmotique

des solutions de nitro-cellulose.

TABLEAU II. -

(,Vitrocellu lose

c

=== 1,5 pour

100.)

De ce

qui

précède

on

peut

tirer des conclusions

infie-ressantes pour des

particules

colloidales.

D’après

1’6quation

(3)

on a en effet :

d’autre

part :

Il s’en suit donc que 1’etude de 1’effet Maxwell dans

divers solvants

permet

de d6Lerminer

experimentale-ment la valeur du

rapport :

Dès lors deux

possibilit6s

se

pr6sentent :

Ou bien 1’on

connait, par

un moyen

quelconque,

la valeur de

-,alors

on

peut

calculer Ie

rapport 6a

et par

172 Eb

a

suite d6terminer la valeur de

6 .

Ou bien au contraire on connait à

priori

la valeur

alors on

peut calculer Ea

et :b et par suite le

rap-Supposons

en

particulier

que

l’ellipsoide

soit tres

allonge.

Dans ces conditions nous pourrons poser

la=0,

/~

-

21t,

ou encore Ea

= -1, Eb = f /2.

( Si 2013

est

plus grand

que

8,

s et E different de ces

B c

valeurs limites de moins de 2 pour

100).

L’on a alors :

Supposons

par

exemple

que les

polystyrolenes

6tu-di6s rentrent dans le cas

particulier.

Nous aurons

alors :

(9)

488

pour le

polystyrolene 1 :

Ontrouve bien que Ie

polystyrolène

de masse

mole-culaire

plus

6ley6e

présente

une valeurs

plus grande

du

rapport.

Des r6sultats

susceptibles

de fournir des conclusions

plus

pr6cises

seront obtenus

lorsque

des recherches

systematiques

auront ete effectu6es sur des s6ries de

polystyrolènes

de masses mol6culaires diverses.

Manuserit re~u le 25 septembre 1933.

BIBLIOGRAPHIE

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