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Les phénomènes optiques sur un réseau ultrasonore dans l ouverture circulaire d un anneau de quartz

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(1)

HAL Id: jpa-00233644

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Submitted on 1 Jan 1939

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Les phénomènes optiques sur un réseau ultrasonore dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz

Jarmila Čerovská

To cite this version:

Jarmila Čerovská. Les phénomènes optiques sur un réseau ultrasonore dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz. J. Phys. Radium, 1939, 10 (2), pp.97-103. �10.1051/jphysrad:0193900100209700�.

�jpa-00233644�

(2)

LES

PHÉNOMÈNES OPTIQUES

SUR UN

RÉSEAU

ULTRASONORE DANS L’OUVERTURE CIRCULAIRE D’UN ANNEAU DE

QUARTZ

Par Mlle JARMILA 010CEROVSKÁ.

Institut de

Physique

de l’Université Charles. Prague.

Sommaire. 2014 Dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz, taillé perpendiculairement a l’axe optique, se produisent dans l’air ou dans les liquides, pour certaines fréquences, des ondes ultra-sonores sta- tionnaires. Les ondes peuvent être rendues visibles dans l’air au moyen du lycopode, dans les liquides au

moyen du lycopode ou par une voie purement optique (stries)

On a

constaté

que le champ ultrasonore s’établit dans l’ouverture. non seulement lors de vibrations radiales de l’anneau, comme on supposait tout d’abord, mais aussi avec une multitude de vibrations non longi-

tudinales. C’est pourquoi on a pu obtenir des ondes stationnaires dans les liquides avec des vitesses de son

quelconques.

L’ensemble des surfaces nodales de la vibration stationnaire existant dans l’ouverture de l’anneau dans le liquide se comporte comme un réseau à diffraction. On a montré pour les ondes planes que les angles de dif-

fraction sont donnés par une formule tout à fait analogue à celle de Bragg :

m 03BBi = 2039B sin 03B4 m = 1, 2, 3

Le résultat de nos mesures est que cette loi s’applique aussi à la diffraction sur un réseau ultrasonore formé dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz vibrant

1. Introduction. --- Dans cet article on etudie les vibrations

élastiques

ultrasonores dans l’ouverture d’un anneau de

quartz,

soit dans l’air

libre,

soit dans

un

liquide.

L’impulsion

à ce travail a été donnée par une obser-

vation de MM. les

professeurs Zacek

et V. Pe-

trzilka

(1) qui

ont

trouvé, pendant

leurs travaux sur

les vibrations radiales et de

torsion,

des anneaux de

quartz,

taillés

perpendiculairement

à l’axe

optique :

pour certaines vibrations radiales se

produisent

des

lignes

nodales dans le centre de l’anneau.

Il.

Dispositif expérimental, - c~)

L’ANNEAU

DE QUARTZ. - Dans nos

expériences,

nous avons uti-

lisé un anneau de

quartz

d’un diamètre externe

(2a)

de

3,00

cm, interne

(2b)

de

1,05

cm et

d’épaisseur 0,488

cm. L’anneau a été taillé

perpendiculairement

à

l’axe

optique

du

quartz,

de sorte que les axes élec-

triques

se trouvaient dans le

plan

de l’anneau. On

peut

démontrer

qu’une

telle

plaque

de

quartz,

taillée

perpendiculairement

à l’axe

optique

se

comporte,

en

ce

qui

concerne les vibrations

longitudinales

et trans-

versales comme une

plaque isotrope.

Pour améliorer le

transport

des

charges électriques

aux surfaces

cylindriques

de l’anneau de

quartz,

on les a

argentées

d’une manière

appropriée.

On a

essayé

deux sortes d’armatures

argentées.

Tout

d’abord,

on

a utilisé l’anneau muni de six armatures

argentées, disposées

sur la surface

cylindrique

extérieure aux

endroits des axes

électriques (fig. ~1 ).

L’anneau de

quartz reposait

sur un support

isolant,

portant six électrodes

disposées

en

cercle,

de sorte

qu’elles

se trouvaient contre les armatures

argentées

du

quartz.

Cettp méthode a rpndl1 des bons services

ppndun

l

des

expériences

dans l’air

libre,

tandis que dans les

liquides,

on a constaté certaines difficultés.

L’anneau,

monté de cette

manière,

adhérait d’une

part

au sup-

port,

d’autre

part

aux électrodes et se trouvait ainsi limité dans les vibrations libres.

C’est

pourquoi

on a

essayé

de

remplacer

les élec-

trodes fixes par de

petites

lames

minces,

soudées à

l’extrémité de

petits

ressorts

élastiques,

mais ce mon-

tage

n’a pas soutenu

l’épreuve

non

plus.

A causé de

cela,

on a

adupté

un autre

procédé

d’ali-

mentation du

quartz

cn

charges électriques.

(J.i a

argenté

et

puis

cuivré

(par

voie

galvanique)

les deux

surfaces

cylindriques

de l’anneau. L~i connexion de

ces armatures du

quartz

avec le

générateur

à haute

fréquence

a été constituée par des lames

élastiques.

Le

support

est

repréwenté figure

2.

L’anneau est

suspendu

à un fil de soie. Le

quartz

a

é cé mis en

parallèle

avec le circuit oscillant d’un

géné-

rateur à haute

fréquence.

Pendant les observations des ondes ultrasonores dans l’air, on s’est servi d’un

générateur

à haute fré-

quence.

typP lJiiiilPy’,

moy trKjdf

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193900100209700

(3)

98

Telefunken RS 282 de 100 W de

dissipation anodique.

Pour les

expériences

sur les vibrations ultrasonores dans les

liquides,

il fallait

appliquer plus d’énergie

à

l’anneau de

quartz.

C’est

pourquoi

on a travaillé avec

un

générateur

en

montage symétrique

muni

de deux triodes

américaines, type

United, 938 à 100 W.

Fig. 2.

Le rendement des vibrations

mécaniques

du

quartz

fut trouvé par un

procédé calorimétrique,

en mesurant

l’élévation de la

température

du

liquide.

Les

énergies

ainsi obtenues variaient de

0,1

à

0,9

W environ.

b)

DESCRIPTION DES MÉTHODES

D’OBSERVATION, APPLIQUÉES

A L’ÉTUDE DES ONDES ULTRASONORES STATIONNAIRES DANS L’OUVERTURE D’UN ANNEAU DE

QUARTZ. - Dans

l’air,

on

peut

observer les vibrations ultrasonores dans l’nuverture de l’anneau au moyen du

lycopode ; quand

l’ouverture se trouve en réso-

nance avec les vibrations de

l’anneau,

le

lycopode

se

dépose

sur le f’ond suivant les

lignes

nodales.

Dans le

liquide,

on observait tout d’abord les vibra-

tions ultrasonores en s’aidant du

lycopode

mis en

suspension

dans le

liquide

donné. L’anneau monté de la manière

déjà

décrite

(fig. 2)

se trouvait dans une

cuvette, remplie,

par

exemple,

de tétrachlorure de carbone avec du

lycopode

en

suspension. L’image

du

plan

central de l’ouverture de l’anneau était

projetée

sur un écran.

, !’i.:!.

D’une autre

manière,

on

peut

obtenir

Funage

du

champ

ultrasonore au moyen de la méthode de stries de

T0153pler (2 ) qui

est fondéa sur le

fait,

que les varia- tions de la

pression, provoquées

par les ondes ultra- sonores, sont

accompagnées

par les variations de l’indice de réfraction.

L’arrangement optique

de cettp

méthode est

représenta

sur la

figure

~.

Le

diaphragme Dl

est illuminé intensivement par

une

lampe

L et son

image

est

projetée

par un

objectif

D

sur une tache opaque sur verre en

D2.

Le faisceau lumineux passe par l’ouverture de l’anneau dans la l’uvette C et se trouve

intercepté

dans sa route vers

la lunette par la tache en

D2.

La lunette

peut

être

remplacée

par un

appareil photographique.

Tant que dans l’anneau n’existe pas de vibration

élastique,

le

liquide

reste

partout homogène, l’image

du

diaphragme Dl

est

complètement

obturée par la tache en

D2

et le

champ

de vision de la lunette reste obscur.

Quand

les ondes ultrasonores se

produisent

dans le

liquide,

les noeuds et les ventres deviennent

des zônes où les valeurs de l’indice de réfraction sont différentes et les rayons, tombant

précédemment

sur

la tache en

D2

font maintenant un détour en l’évi-

t,ant,

en sorte que dans la lunette

apparaît

une

image correspondante

du

champ

ultrasonore.

D’autre part,

les

vibrations

ultrasonores dans le centre de l’anneau de

quartz agissent

sur la lumière transmise comme un réseau de diffraction. Une onde

acoustique

stationnaire dans le creux de l’anneau

représente

une onde

élastique composée

des compres- sions et dilatations distantes entre elles de

A,

c’est-à- dire de la

longueur

d’onde du son dans le

liquide

donné.

Sous l’action des ondes

acoustiques

la densité du

liquide

varie et, avec

elle,

l’indice de réfraction.

l,’ensemble des surfaces où s’effectuent ces

change-

ments de l’indice de réfraction se

comporte

comme un

réseau à diffraction. Les maxima de la lumière dis-

persoe

par cet ensemble de surfaces se trouvent (]ans les directions

~, remplissant

la condition :

2,1

représente

la

longueur

d’onde de la lumière dans le

liquide

et .1B est la

longueur

d’onde du son. Pour

2, 3,...

existent les maxima du

premier, second,

troisième ordre.

Les théories de la diffraction de la lumière sur un

réseau formé par des ondes ultrasonores

planes

sont

dues à R. Lucas et P.

Biquard (3),

P.

Debye (~),

@

L. Brillouin

(5)

et C. V. Raman avec N. S.

Nagendra

Nath

(6).

Il est évident que les considérations faites pour les ondes

planes peuvent

être

appliquées

sans

modifications essentielles aussi au cas

qui

nous

occupe.

. Pour l’étude des

phénomènes optiques,

nous avons

appliqué

d’une

part

une

lampe

à arc, d’autre

part

une

lampe

à vapeur de mercure à haute

pression

Phi-

HP

300,

munie d’un

filtre,

donnant une lumièr?

presqup

-m-ojin-elirornati-que

de 5 46! f 1.

ill.

Les résultats

expérimentaux.

1. L’observation du réseau ultrasonore dans l’air. - On attendait tout d’abord à ce que les ondes ultrasonores stationnaires

puissent s’établir

dans

(4)

1 - l

1’!U-.5.

l ’l~. ~.

l 1..2. > Il >

(5)
(6)

99

l’ouverture d’un anneau seulement pour des vibra- tions radiales de

l’anneau,

mais - comme nous ver- rons

plus

tard - on a pu les obtenir avec une multi- tude d’autres vibrations (la

plupart transversales).

pourvu

qu’elles

aient une

fréquente appropriée.

Pour

les

fréquences

des

cinq premières

vibrations radiais

on avait calculé

d’après

les formules

théoriques

don-

nées par A.

Zàêek

et V. Petrïilka

(1)

les valeurs sui- vantes (en

kilocycles-sec) :

Les

photographies jfig>. fi: 1, 2,

li, -, voir

planche

hors

texte)

montrent les

lignes

nodales

(obte-

nues au moyen du

lycopode)

formées au fond de

l’ouverture de l’anneau vibrant dans l’air. Le

quartz

était muni des armatures

argentées

de

première

sorte

(voir chap.

II,

a).

Les

photographies (fig. 5 ; 1, 2, 3 ;

v.

planche)

mettent en évidence la corré- lation entre l’existence des ondes ultrasonores stationnaires dans l’ouverture de l’anneau et le mode de vibration de l’anneau même. Le

quartz

était muni des armatures de seconde sorte.

En

supposant

que les ondes statiumaires

peuvent

se former dans l’ouverture seulement pour des vibra- tions

purement

radiales de

l’anneau,

les

figures

nodales sur sa surface devaient être des

cercles ;

il

est évident toutefois dans les

figures 5; 1, 2, 3, (voir planche) qu’il

n’en est pas ainsi. De

plus,

on

peut

constater que les cercles nodaux du

champ

utra-

sonore dans l’ouver- ture de l’anneau sont interrom pus par trois

diamètres,

bissectant les trois axes

électriques

de l’anneau de

quartz.

La

fréquence,

le diamètre de l’ouverture et la vitesse du son étant

donnés,

on

peut

calculer le nombre de cercles nodaux

qui

doivent

apparaître

dans l’ouver- ture de l’anneau dans le cas des ondes stationnaires.

Pour la vitesse du son dans l’air à 200 C on a

pris

la

valeur de v = m

/sec.

Dans le tableau 1 sont inscrits les nombres de cercles nodaux calculés en

comparaison

avec les nombres

observés.

Désignons par k

le nombre des cercles

nodaux,

pan 2b le diamètre de l’ouverture de l’anneau et par A la

longueur

d’onde du son dans l’air - l’existence des ondes stationnaires

exige

que :

en introduisant la

fréquence f =--

B’ A un obtient pour

ia

vitesse du son --

On a

obtenu,

par

exemple,

pour

f

=

307,8

kilo-

cycles-sec

et 2b

= 1,05

cm k 9

(fig.

4 :

1). Donc,

il

est

et pour la vitesse du son dans l’air on a :

B cause de

fimpossibitite

du dénombrement exact de cercles nodaux (surtout dans le centre des

on ne peut

prendre

la valeur ainsi que comme

une

approximation.

ÏABLEAL 1.

On n’a pas pu déterminer le nombre des cercies nodaux

1

a cause de leur multitude rt due leur imperfection.

i

_

2. L’observation du réseau ultrasonore dans le

liquide. --

(7) A i Dt i -

photos (iig. 6:

1, 2, 3)

représentent

1F réseau ultra-

sonore

produit

par l’anneau de quartz dans un me-

lange

de tétrachlorure de carbone et de

xylène,

rendu

visible par le

lycopode

en

suspension.

Par un raisonnement tout à fait

analogue

à celui

que nous avons

déjà

fait pour le cas de

l’air,

on obtient

pour le nombre des cercles nodaux la formule :

(7)

100

Fig. G.

en

désignant

maintenant par v la vitesse du son dans le

liquide.

Les

fréquences f

des vibrations de l’anneau étant

données,

on a

essayé à remplir

la cundition citée

(car k

doit être un nombre

entier)

par des variations cle e obtenues en

mélangeant

les

liquides.

La

figure E~ ; 1,

montre le

champ

ultrasonore dans un

mélange

de

80 pour 100

xylène

avec 20 pour 100 de =1470

kc /sec ~

-,

figure 6 ; 2 : mélange

de 44 pour 100

xylène

avec 56 pour 100

CCI~ / f

= 1 565

kc /sec ; figure 6 ;

3 :

mélange

de 62 pour 100

xylène

avec 38 pour 100

CCl4 Il

=1496 kc

/sec.

On a trouvé

plus

tard que la vibration

ultrasonore

stationnaire se

produit

dans l’ouverture non seule- ment pour des vibrations

radiales,

mais aussi pour des vibrations

transversales,

dont il y a une

grande multitudc ;

c’est

pourquoi

on

peut

trouver pour presque

chaque

valeur de v une vibration avec une

fréquence correspondante.

A cause de cela on a pu obtenir des ondes ultrasonores dans un

liquide quel-

conque.

TABLEAU II.

I*) On ne pouvait pas déterminer avec précision le nombre des reroles à cause dP lieur imperfection.

Dans le tableau II

figurent quelques

vibrations

qui

ont été

accompagnées

dans un

mélange

de 44 pour 100 de

xylène

avec 56 pour 100

CCl#

d’un

champ

ultra-

sonore assez intense.

Dans une gamme de

fréquences

de

508,8 jusqu’à 210,0 kc /sec

on n’avait pas trouvé des vibrations ultrasonores stationnaires dans l’ouverture de l’an- neau ; à une vibration de

210,0 kc,’sec

se sont formés

seulement les trois diamètres nodaux

(fig. 7 ; 2).

La

même

figure

fut observée aussi dans le

xylène

avec du

lycopode

ou par voie

purement optique

à une fré-

quence de

210,2 kc/sec

et dans le toluène à

210,1 kc /sec.

Cette vibration stationnaire était caractérisée par une intensité considérable.

F’i,,. 7.

De la même manière que dans l’air on

peut

déterminer la vitesse du son dans le

liquide d’après

le nombre de cercles nodaux. On a obtenu

ainsi,

pour

un

mélange

de 62 pour 100 de

xylène

avec 38 pour 100

CCJ4

avec une vibration à

f =1496,0 kc /sec,

h

== 12,

une vitesse de l a12 m,’sec. La vitesse du son dans

un

mélange

de deux

liquides

se trouve entre les vitesses des deux

composants.

Des études de la

dépendance

de la vitesse du son de la

composition

des

mélanges

ont été exécutées par S.

Parthasarathy (7).

h)

LA MÉTHODE DES STRIES DE T0152PLER

(2).

-- On a

Etudié lp

t,h;4mli

ultrasonore dans l’fiiivPrttirP d>

(8)

101

l’anneau dans des

mélanges xylène-tétrachlorure

de

carbone,

dans le

xylène

pur, dans le tétrachlorure de carbone pur et dans le toluène.

Les

photos (fig. 8 ;

1 à

4, 9 1

à

6 : v. planche)

mon-

trent le

champ

ultrasonore dans le tétrachlorure de carbone. Dans la

plupart

des cas observés les

lignes

nodales étaient des

cercles ;

-, pour

quelques

vibrations

faibles c’était le centre seulement

qui

s’éclaircissait.

Dans

quelques

autres cas une sorte due ;

grille

,) se

produisait

dans le centre de l’anneau. Dans le tétra- chlorure de

carbone,

on a étudié le

champ

ultrasonore pour une gamme de

fréquences

de 100 à

5 000

kc ¡sec.

TABLEAU III.

Les

fréquences,

avec

lesquelles

les vibrations sta- tionnaires dans l’anneau de

quartz

ont été obtenues,

figurent

dans le tableau III. Les vibrations

trop

faibles

n’ont pas été

photographiées.

On a constaté, dans

tous les cas

observés,

que le réseau ultrasonore ne subsistait pa~

plus longtemps que 5

à 15 sec. Le

liquide s’échauffe,

sa densité

s’altère,

des courants et des tour-

billons se

produisent

et le réseau ultrasonore se détruit.

Avec certaines vibrations des diamètres nodaux appa raissent et la

symétrie ternaire

se manifeste distinc- tei-nent, surtout aux

fréquences

les

plus

basses. On voit dans la

plupart

des

figures

que les cas de réseau

parfaitement

circulaire sont assez rares. Le

plus

sou-

vent les ondes stationnaires sont déformées

plus

ou

moins,

surtout dans le centre de

l’anneau ;

ce

phéno-

mène est

probablement

en relation avec le fait que les ondes stationnaires étaient

produites

par les vibra- tions transversales de

l’anneau,

dont les diverses.

parties

de la surface interne

possèdent,

dans ce cas, des

amplitudes

et

phases

différentes.

~ Les

images reproduites

dans les

figures 8 ; 1, 2, 3,

4

w. planche)

ont été reçues directement sur la

plaque photographique,

tandis que les autres ont été obtenues au moyen de la lunette.

3. La diffraction de la lumières par un réseau ultrasonore. -- On a mesuré

l’angle

de difïractioA

avec une lumière

monochromatique

de X == 5 461 A

au moyen de deux méthodes.

D’après

la

première,

on

observait le

phénomène

de diffraction dans une

lunette dont l’oculaire a été muni d’une échelle mic ’0-

métrique.

La valeur

angulaire

d’une division de l’échelle fut trouvé par une mesure

spéciale.

On a

appliqué

toutefois

plus

souvent une autre mé-

thode : Le

phénomène

de diffraction a été reçu direc- tement sur une

plaque photographique,

de sorte

qu’on pourrait

- en connaissant la distance de la

plaque

au

plan

central de l’ouverture de l’anneau -

calculer l’angle d’après

les diamètres des cercles de diffrac- tion

(fig. 10 ;

1 à

8)

les

angles correspondants.

Les

figures représentent

le

phénomène

de ditfrac-

tion en

grandeur

naturelle. Il est évident sur le tableau IV que les

angles

de diffraction observés s’accordent assez bien avec les

angles

calculés au moyen de

l’équation

de

Bragg.

En évaluant les mesures ctc

l’angle

de

dinraction,

il

fallait tenir

compte

de la réfraction de la lumière en

entrant et en sortant de la cuvette contenant le

1

liquide (CCI4

en notre cas). Un a

pris

pour l’indice de

)

réfraction de

CCI4

pour la lumière verte la valeur

.

n ==

1,!~66 (~).

La réfraction dans les

parois

de la cuvette

a été

négligée

car, d’une

part,

les

parois

étaient assez

1

minces

(2 mm)

et, d’autre

part,

leur indice de réfrac- tion ne différait pas

beaucoup

de celui du tétrachlo-

, rure de carbone. Pour la

vitesse

du son dans

CC]4

à

20,90

C on a

pris

la valeur

dr v

= P63 in sec.

.

(9)

102

Fig-. 10.

L’angle

de diffraction a été calculé au moyen de Ja formule :

où 8

représente l’angle

entre le rayon incident et le

plan

du réseau

ultrasonore, d

est le rayon du cercle de diffraction obtenue sur la

plaque,

A la distance

plaque-anneau,

rr l’indice de réfraction

(voir fig. 11).

Aussi,

dans la formule de

Bragg :

-

il faut tenir

compte

de l’indice de réfraction du

liquide,

car X,

désigne

la

longueur

d’onde de la lumière dans

TABLEAU IV.

(10)

103

le milieu

donné ;

en

désignant

par À la

longueur

d’onde dans

l’air,

on a pour la

longueur

d’onde dans le

liquide :

n = n i,

L’échauffement du

liquide

a été souvent accompa-

gné

par une déformation du réseau ultrasonore ce

qui

a causé une

perte

de clarté du

phénomène

de dif-

fraction. C’est à un tel réseau déformé que

correspond

la

figure 10,

2. C’est

pourquoi,

pour obtenir des

photo- graphies

nettes du

phénomène

on ne devait pas expo-

ser la

plaque plus longtemps

que 1 à 2 sec, en interca-

lant des pauses de 8 à 10 sec entre les

prises.

Il fallait

souvent exposer 20 à 30 fois.

Il résulte alors des mesures

(tableau IV)

qtio la

diffraction de la lumière sur un réseau ultrasonore

produit

dans l’ouverture d’un agneau de

quartz vibrant, obéit,

dans les limites des erreurs d’obser-

vations,

à la loi de

Bragg.

Cela vaut surtout pour les ordres

supérieurs.

En

terminant, je

remercie vivement le directeur de l’Institut de

Physique

de l’Université

Charles,

à

Prague,

M. le

professeur-docteur Aug. Zicek,

pour l’intérêt

qu’il

a

porté

à mon travail et pour les conseils

qu’il

m’a

donnés ; je

remercie aussi sincèrement M. le docteur V. Petriilka pour son amabilité et sa

bienveillance.

Manuscrit reçu le tu août 1938.

BIBLIOGRAPHIE

(1) A. 017DÁCEK and V. PETR017DÍLKA. Phil. Mag., 1938, vol. 25.

p. 164.

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(3) R. LUCAS et P. BIQUARD. J. de Phys. et le Rad. 1932, 3, p. 464.

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(5) L. BRILLOUIN. La diffraction de la lumière par des Ultra-

sons, Paris, 1935.

(6) C. V. RAMAN and N. S. NAGENDRA NATH. Proc. Ind. Acad.

Sci., 1935, 2, p. 406 ; 1936, 2, p. 414 ; 1936, 3, p. 119 ; 1936, 3, p. 75 ; 1936, 3, p. 459.

(7) S. PARTHASARATHY. Proc. Ind. Acad. Sci. 1936, 3, p. 297.

(8) International Critical Tables, 1930, vol. 7, p. 34.

Références

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