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date de publication18.05.2017
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WEPPE Alexandre MJABRI Sofiane QUESSARD Robin



Professeurs encadrant : Mme Cornu Mr Maury

T.P.E. :

Comment l’énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique dans le cas de la photosynthèse et en énergie électrique dans le cas du photovoltaïque ?

Thème : Environnement et progrès

Axes de recherche : Notion d’environnement, notion de progrès

SOMMAIRE
I- Introduction
II- Captation
1) Les pigments assimilateurs

2) Le silicium amorphe
III- Transformation
1) Les phases photochimiques

2) La jonction P/N
IV- Mise en relation

Annexe : Glossaire

Bibliographie et sitographie

I- Introduction
Partout où il fait jour, la Terre reçoit en moyenne 1300 kWh/m² d'énergie lumineuse instantanée provenant du soleil. Dans une situation de crise énergétique liée aux incidents répétitifs de l'énergie nucléaire et à l'augmentation de la population mondiale qui sera bientôt de 9 milliards en 2050, l'énergie solaire devra relever les défis du XXIème siècle afin de permettre l'accès à une énergie propre pour produire l'électricité répondant à la demande sans cesse croissante et elle devra aussi permettre de nourrir l'humanité grâce à la photosynthèse, la pierre angulaire du fonctionnement du monde vivant.

Nous verrons ainsi comment cette énergie est transformée en énergie chimique au cours de la photosynthèse et en énergie électrique grâce aux panneaux solaires à travers deux cas : une cellule chlorophyllienne et un panneau à base de silicium amorphe. Nous verrons ensuite si ces deux systèmes de conversion d’énergie sont comparables.

Quelques chiffres et dates :


  • Au XVIIIème siècle, on comprend l’importance de la lumière au cours de la photosynthèse et on découvre que du dioxygène est rejeté et du dioxyde de carbone assimilé lors du processus.

  • En 1839, Antoine Becquerel découvre l'effet photoélectrique, celui-ci sera étudié avec l'aide de son fils Edmond. L'effet ne sera vraiment pris au sérieux qu'à l'issue de la Seconde Guerre Mondiale.

  • L'effet sera compris par Ernest Rudolf Hertz en 1887 et expliqué par Albert Einstein en 1905 lorsqu'il propose que l'énergie soit quantifiée.

  • Au début du XXème siècle, la structure de la chlorophylle est découverte.

  • Au cours des années 1930, Robert Hill parvient à définir les principes d’oxydo-réduction ayant lieu au sein de la cellule chlorophyllienne.

  • En 1954, la NASA crée les premiers panneaux photovoltaïques à haut rendement. Le photovoltaïque est créé, c'est une branche découlant de l'effet photoélectrique.

  • En 1958, la NASA envoie le premier satellite entretenu grâce à l'énergie photovoltaïque. Les panneaux ont alors un rendement de 9%

  • En 1961, Melvin Calvin reçoit le Prix Nobel de chimie pour ses travaux sur la photosynthèse. Il laissera son nom au cycle de Calvin.

  • En 1973, l'université du Delaware (Etats-Unis) crée la première maison entretenue en électricité uniquement par des panneaux photovoltaïques.

  • En 1983, une voiture fonctionnant à l'énergie solaire parcourt 4.000 km en Australie.

  • Des chercheurs ont récemment fait le lien entre l’étonnant rendement des photons atteignant leur « but » chez des algues marines avec les propriétés de la cohérence quantique. Ce principe pourrait s’appliquer à toutes les cellules chlorophylliennes mais sans certitude.

I-Captation
1- Les thylakoïdes
a- Localisation
La photosynthèse permet la conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique à partir de minéraux par les végétaux et certaines algues et cyanobactéries. Les cellules végétales chlorophylliennes permettent ce phénomène chez la majorité du règne végétale terrestre. Ce sont des structures complexes faites d’un noyau, d’une ou plusieurs vacuoles, de mitochondries, d’un cytoplasme ainsi que de multiples autres organites parmi lesquelles les plastes. Dans cette famille d’organites, le chloroplaste* permet à ces cellules le déroulement de la photosynthèse. En effet, à l’intérieur d’un chloroplaste on trouve les thylakoïdes*, de petites poches regroupées en grana et baignant dans le stroma*, le liquide intra-chloroplastique. C’est sur la membrane des thylakoïdes que se situent les structures complexes permettant la photosynthèse.
Schéma d’un chloroplaste



Source : cours-pharmacie.com
b- Les pigments chlorophylliens

Dans la membrane de ces thylakoïdes se trouvent les pigments assimilateurs parmi lesquels les chlorophylles a et b quasi-similaires à la différence d’un groupe O=CH pour la chlorophylle b qui est remplacé par un groupe CH4 chez la a. Il y a aussi les xanthophylles et la β-carotène. Ces pigments sont ordonnés dans une « antenne » de photosystème qui collecte l’énergie lumineuse avec en son centre une molécule de chlorophylle a appelée centre réactionnel. L’antenne avec son centre réactionnel forment un photosystème*.

Note : Il existe aussi les chlorophylles c1, c2, d et f qui existent chez diverses algues et cyanobactéries.
c- Du photon à l’électron

Ainsi, lorsqu’un photon (grain de lumière) d’une énergie hν vient frapper une molécule de chlorophylle en périphérie de l’antenne, il lui transmet son énergie sous forme d’excitation électronique. C’est-à-dire que la molécule passe de son état fondamental E0 à un état excité E1 ou E2, c’est un électron d’une double liaison conjuguée C=C du noyau tétrapyrrolique de la molécule qui subit la transition électronique provoquée par l’absorption d’un photon. La molécule de chlorophylle est en effet constituée d’un noyau fait de 4 pyrroles* et d’une chaîne de doubles liaisons conjuguées de carbone et d’hydrogène.

R
Un pyrrole
eprésentation topologique du noyau tétrapyrrolique de la chlorophylle


Source : snv-jussieu.fr

Note : La chaîne de doubles liaisons est représentée par H39C20

La molécule en état E2 passe à l’état d’énergie moindre E1 en quelques nanosecondes en libérant un photon. Il y a alors 3 possibilités pour une molécule en E1 pour se désexciter.

Dans le premier cas elle se désexcite et libère un photon d’énergie égale à celui faisant passer la molécule de l’état E0 à E1. C’est une radiation rouge de longueur d’onde 720 nm. C’est le principe de fluorescence*, il n’a lieu que pour les molécules mal ordonnées dans l’antenne.

Dans le second cas, la molécule de désexcite en excitant simultanément une molécule voisine. L’excitation se répand alors d’une molécule à une autre jusqu’au centre réactionnel, c’est la molécule de chlorophylle a au centre de l’antenne. C’est le principe de résonnance qui permet à l’antenne de remplir sa fonction « collectrice » de photons afin de cibler l’énergie lumineuse sur le centre réactionnel pour qu’il puisse réaliser le troisième cas de désexcitation.

Dans ce troisième cas, n’ayant lieu que pour la molécule du centre réactionnel, l’excitation reçue par résonance ou directement par un photon (cas rare) permet à la molécule le passage de l’état E1 à E0 par la libération d’un électron. C’est le principe de photochimie. C’est électron va ensuite alimenter la chimie du vivant et permettre la transformation de l’énergie lumineuse qu’il a reçu du photon en énergie chimique.

Les états d’excitation et les possibilités de désexcitation des molécules de chlorophylle



E2

E1

E0


Source : snv.jussieu.fr
Expérience :
Nous avons réalisé une expérience sur l’excitation électronique de la chlorophylle afin de mieux comprendre ce phénomène et pour démontrer que la chlorophylle est excitée par la lumière.
Dans un premier temps nous avons broyé des feuilles d’épinard dans de l’éthanol avec un peu de sable. Ceci a permis d’extraire une solution chlorophyllienne pure que nous avons filtrée. Cette solution comprenait de l’éthanol, des molécules de chlorophylle a et b, des molécules de xanthophylle ainsi que des molécules de β-carotène. Nous avons abondamment diluée cette solution avec de l’éthanol afin de pouvoir obtenir son spectre d’absorption. En effet, dans peu d’éthanol, la solution est trop dense et le spectre difficile à observer.


Solution filtrée Solution diluée

Nous avons donc observé le spectre d’absorption grâce à un rétroprojecteur et un réseau. Cela nous a permis de voir quelles radiations lumineuses étaient absorbées par la chlorophylle. De plus, nous avons pu observer la désexcitation par fluorescence de la chlorophylle en mettant la solution diluée au dessus du rétroprojecteur. Une émission de photons rouges s’en est suivi, c’est le mécanisme de fluorescence précédemment expliqué.


Spectre d’absorption de la solution Désexcitation par fluorescence
2- Le silicium amorphe
a- Le silicium
Les panneaux photovoltaïques permettent la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique. Il existe de nombreux types de cellules photovoltaïques composant les panneaux, elles peuvent être à base de silicium monocristallin, de silicium polycristallin ou de silicium amorphe. Seule leur structure cristalline change mais elles peuvent toutes être expliquées par les mêmes phénomènes.

Le principal composant d’une cellule photovoltaïque est le silicium (Si) excepté pour les panneaux à base de tellure de cadmium. Le silicium est de la famille des cristallogènes (la 14ème colonne de la classification périodique de Mendeleïev*), son numéro atomique est 14. C’est le second élément le plus répandu dans la croûte terrestre avec 25,7% après l’oxygène ce qui le rend peu cher. C’est un semi-conducteur, sa conductivité est intermédiaire entre celle des métaux et des isolants et augmente avec la température. Un électron a donc toujours une chance de contribuer à un courant électrique dans du silicium mais il faudra une forte tension pour que le courant naisse. On peut contrôler sa conductivité électrique grâce à un « dopage » et ainsi faciliter le passage d’électrons.
b- Le dopage des couches
En ajoutant des impuretés de chaque cotés d’une cellule de silicium on peut créer deux couches N et P. D’un côté on ajoute du phosphore (P) afin de créer un excès d’électrons négativement chargés au sein de la maille de silicium et former ainsi une couche N. De l’autre côté on ajoute du bore (B) et on crée ainsi des manques d’électrons, la couche P est formée. En effet afin de créer les 4 liaisons covalentes* du silicium le phosphore, d’une colonne postérieure à celle du silicium, se retrouve en excès d’électron, il est donneur. Le bore étant d’une colonne antérieure à celle du silicium, il lui manque un électron sur sa couche externe pour former toutes les liaisons avec le silicium, il est receveur. Ainsi, la conductivité est améliorée grâce à l’implantation d’impuretés chargées puisque le phosphore fournit des électrons potentiellement libres qui peuvent se déplacer vers les atomes de bore or un déplacement d’électron est un courant électrique. Le matériau reste cependant toujours électriquement neutre tant que les électrons n’ont pas bougé car il y a autant de protons que de neutrons. Il y a seulement des électrons manquants ou supplémentaires dans la structure globale du silicium.
Couches N et P dopées respectivement en phosphore et bore avec un électron manquant ou en excès


Source : Wikipédia.org
c- Egalisation des potentiels
Maintenant, lorsqu’on juxtapose une couche N et une couche P, les électrons en excès ou ceux manquant dans la structure du silicium s’égalisent. C’est-à-dire que les électrons supplémentaires du phosphore se recombinent avec le bore afin de créer toutes les liaisons covalentes. Les atomes de phosphore et de bore sont certes bien organisés mais cependant électriquement chargés, on a P+ et B-. On peut donc créer une zone de faible longueur (quelques µm) qui créera un champ magnétique. Cette jonction entre une couche dopée négativement et une couche dopée positivement s’appelle jonction P/N, elle se situe entre les couches N et P.
II-Transformation
1- Les phases photochimiques
a- Le photosystème II
Le premier photosystème à assister la photosynthèse chez les cellules végétales chlorophylliennes est le photosystème II ou PSII. C’est un réseau de pigments assimilateurs avec en leur centre un centre réactionnel comme décrit dans la 1ère partie. Le centre réactionnel de ce photosystème une fois désexcité par photochimie libère un électron à 4 reprises. Ces électrons sont reçus un par un par un accepteur, la phéophytine. Les électrons sont ensuite transférés un à un à une quinone oxydée (et ainsi réduite par un électron) qui en acceptera deux. Ce transporteur sera ensuite oxydé par la plastoquinone en acceptant les électrons. Celle-ci devra capter 2 protons depuis le stroma afin de rester stable puis ce dirigera vers le complexe b6-f où elle libèrera les électrons et libèrera les protons dans le lumen, l’intérieur du thylakoïde ou espace intra-thylakoïdien. Le complexe b6-f redonnera deux par deux les électrons à la plastocyanine un accepteur mobile. La molécule de chlorophylle du centre réactionnel étant cependant en manque de 4 électrons, l’oxydation de l’eau grâce à une enzyme lui permet de les retrouver selon la formule :

2H2O O2 + 4H+ + 4e-
Les ions hydrogène vont eux dans le lumen et le dioxygène est rejeté dans l’atmosphère ou utilisé pour la respiration du végétal.
Schéma du PSII



Source : snv-jussieu.fr

Légende:

P680 : molécule de chlorophylle a du centre réactionnel (longueur d’onde du photon absorbé)

P680* : molécule excitée Pheo : phéophytine Qox : quinone oxydée Qred : quinone réduite

b- Le photosystème I
Le second photosystème participant à la photosynthèse est le PSI. Il est constitué d’une antenne et d’un centre réactionnel similaires à ceux du PSII à l’exception de la molécule de chlorophylle a réactionnelle qui n’absorbe pas un photon de longueur d’onde λ = 680 nm mais 720nm. Cette molécule une fois désexcitée par photochimie donne un électron à une molécule A qui le transporte jusqu’à un centre fer-soufre (Fe-S). L’électron cheminera parmi plusieurs centres Fe-S avant d’arriver à l’ultime accepteur d’électrons : la ferrédoxine, une protéine fer-soufre qui acceptera 4 électrons arrivés de la même manière. La molécule de chlorophylle récupère ses 4 électrons de la molécule de plastocyanine, ayant elle-même reçu ses électrons du PSII, qui est ainsi oxydée.

Schéma du PSI



Source : svn-jussieu.fr

Légende:

PC : plastocyanine Fd : Ferredoxine ox : oxydée red : réduite

P700 : molécule de chlorophylle a du centre réactionnel P700* : molécule excitée

b- Création d’ATP
Les ions H+ obtenus grâce à l’oxydation de l’eau et par le complexe b6-f se déplacent à travers le lumen jusqu’à arriver à l’ATP synthase, une enzyme permettant la synthèse d’ATP* à partir de phosphate inorganique Pi et d’ADP. Cette enzyme fonctionne indépendamment des photosystèmes. La quantité de protons H+ fait varier le pH* et crée ainsi une différence de pH entre le lumen et le stroma ouverts l’un sur l’autre par l’ATP synthase. Cette différence de pH s’appelle le gradient de pH et crée ainsi un efflux d’ions vers le stroma en passant par l’ATP synthase. Ceci permet la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de Pi. Les protons ne repassent pas dans le lumen par l’ATP synthase.
On a donc bien conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique.
Schéma simplifié de création d’ATP à partir d’ADP et de Pi dans un chloroplaste




Lumen


ATP synthase
Stroma


Source : snv-jussieu.fr

Les électrons acceptés par la ferrédoxine sont transmis à la ferrédoxine NADP réductase (FNR) ce qui permettra la création d’une molécule au pouvoir réducteur afin d’assurer la réduction du CO2 : le NADPH. L’efflux d’électrons arrivés dans le stroma permet aussi la synthèse de cette molécule. En effet ce sont les électrons et les protons provenant de l’oxydation de l’eau et qui ont traversé toute la membrane thylakoïdienne qui permettent cette réaction :
2 NADP+ + 4 H+ + 4e- 2(NADPH + H+)
Les ions H+ restant parmi les 4 résultant de l’oxydation de l’eau sont recyclés par le passage d’électrons dans la plastoquinone (voir a-) afin de recréer le gradient de pH à l’intérieur du lumen pour pouvoir reformer de l’ATP et afin d’assurer un débit constant d’électrons. Ils passent par le complexe b6-f afin de retourner dans le lumen.
Cette énergie chimique créée peut donc être ensuite transformée en différents hexoses (fructose, glucose ...) grâce au NADPH. On retrouve notamment ces sucres (les hexoses) dans les fruits.
2- La jonction P/N
a- Création d’un courant électrique fermé
Le champ magnétique créé par la jonction P/N empêche le passage d’électrons de la couche N à la couche P directement. Le matériau se comporte donc désormais comme une diode*. Un courant électrique utilisable par l’Homme doit passer par un câble afin d’aliment en électricité des structures. Le courant électrique potentiel est ici obligé de passer par une voie extérieure. En effet, les électrons sont potentiellement libres dans la couche N et pour passer dans la couche P qui les attireraient, il faut passer par une structure extérieure car le champ magnétique empêche tout déplacement direct entre les bornes de la cellule.
Schéma d’une cellule photovoltaïque



Source : luxol.fr

Zone bleue : Couche dopée en phosphore (couche N) électriquement neutre

Zone orange : Couche dopée en bore (couche P) électriquement neutre

Zone rose : Jonction P/ N électriquement positive à gauche et électriquement négative à droite

b- Libération des électrons
Ainsi, lorsqu’un atome de la cellule est excité par un photon d’énergie hν, il se désexcite par voie photochimique et libère un électron. Cet électron libéré dans la couche N est attiré par la couche P cependant, le champ magnétique créé par la jonction P/N empêche un passage direct des électrons de N vers P. L’électron doit donc passer par un chemin extérieur, il va pouvoir emprunter le câble conducteur lui permettant de retourner dans la couche P afin de combler les manques d’électrons à l’intérieur de la maille de silicium. On peut donc, avec une multitude de cellules, créer un réseau à forte intensité et forte tension pour pouvoir créer un courant fiable. Le conducteur utilisé peut donc être relié à des habitations ou autres lieux où l’électricité est nécessaire.
IV-Mise en relation

a- Fonctionnement

La photosynthèse et le phénomène photovoltaïque sont similaires sur de nombreux points bien qu’un soit naturel et vieux de plus de 3 milliards d’années, l’autre créé par l’Homme et utilisé depuis une soixantaine d’années. Tout d’abord, ils utilisent tous deux l’énergie solaire afin d’obtenir un mouvement d’électrons. Les atomes composant les structures permettant leur fonctionnement sont excités par des photons et libèrent un électron. Dans les deux phénomènes, c’est à la base de la matière même que l’énergie solaire est convertie en premier.

Dans le photovoltaïque, il est suffisant pour l’Homme d’obtenir un mouvement d’électrons pour pouvoir utiliser cette énergie pour ses besoins à partir du moment où il arrive à contrôler le débit d’électrons. Pour la photosynthèse, ce sont des mécanismes beaucoup plus complexes qui ont lieu afin d’obtenir de l’énergie chimique utilisable pour le métabolisme des végétaux utilisant la photosynthèse et la survie des espèces végétales. Ainsi, la nature reste beaucoup plus complexe que les créations humaines. L’évolution a en effet permis d’améliorer au mieux le rendement de la photosynthèse, notamment par rapport à l’absorption des photons et le phénomène de résonance dont le rendement est de presque 100%. Ainsi, la photosynthèse aurait des choses à apprendre à l’Homme par rapport au photovoltaïque qui est encore une énergie jeune mais prometteuse.

b- Usage

La photosynthèse est un des piliers du monde vivant, elle permet en effet la synthèse de dioxygène nécessaire à la vie du règne animal et permet la conversion de CO2 en sucres tout aussi nécessaires à la survie des animaux. Sans elle, la Terre n’aurait jamais connu une diversité des espèces si grande. Cependant, l’Homme nuit au fruit de milliards d’années d’évolution en consommant beaucoup plus d’énergie que la Terre ne lui permet. Il rejette aussi beaucoup plus de dioxyde de carbone que ce que peuvent assimiler les végétaux, s’en suit le réchauffement climatique que nous connaissons. Déjà des milliers d’espèces ont disparu par sa faute. L’Homme doit désormais assurer ses besoins énergétiques par des énergies renouvelables telles que le photovoltaïque. Cette énergie lui assure en effet une énergie propre et renouvelable (du moins jusqu’à ce que le soleil perde son équilibre dans 7 milliards d’années) s’il prend le pari de la développer. En effet, en France 99% du budget de recherche énergétique est consacré au nucléaire dont les déboires font frémir, de plus les réserves d’uranium s’épuisent de plus en plus vite. Le photovoltaïque devrait être aussi indispensable que la photosynthèse pour la survie de notre planète dans quelques années.

c- Conclusion

La photosynthèse et le photovoltaïque permettent tous deux de convertir l’énergie que la Terre reçoit du soleil en énergie chimique et électrique par des phénomènes complexes. Ils permettent à l’Homme sa survie grâce à la nourriture des plantes et l’accès à une énergie électrique qu’il a placée comme nécessaire à sa vie. L’énergie solaire abondante sur Terre est ainsi utilisée sous forme d’énergie fondamentale à l’Homme grâce à ces deux phénomènes.

Annexe

Glossaire:
Chloroplaste : Organite situé dans les cellules végétales chargé de thylakoïdes où se déroule la photosynthèse.

Thylakoïde : Dans un chloroplaste, sac membraneux aplati contenant la chlorophylle. Les thylakoïdes sont regroupés en grana, des colonnes de thylakoïdes.

Stroma : Liquide du chloroplaste à l’extérieur des membranes du thylakoïde où les réactions indépendantes de la lumière de la photosynthèse se produisent.

Chlorophylle : principal pigment assimilateur de la photosynthèse qui donne sa couleur verte, la moins absorbée, aux plantes.

Photosystème : Complexe protéique des cellules photosynthétiques situé dans les thylakoïdes, formé d’une antenne collectrice et d’un centre réactionnel. C’est ici qu’arrivent les photons donnant leur énergie pour la suite des réactions.

Photon : particule élémentaire porteuse d’énergie lumineuse. La lumière est en effet à la fois une particule et une onde.

Fluorescence : Processus dans lequel un atome absorbe de la lumière à une longueur d'onde et l’émet immédiatement à une autre longueur d'onde.

Pyrrole : Cycle pentagonal de 4 carbones et un atome d’azote. Sa formule brute est C4H5N

Classification périodique de Mendeleïev : Tableau contenant tous les éléments chimiques classés par numéro atomique dans des périodes (lignes) et groupes (colonnes). Le silicium se situe dans la 2ème période du 14ème groupe.

Liaison covalente : Une liaison covalente est une liaison entre deux atomes mettant en commun un électron chacun. Une liaison covalente peut réunir de 1 à 3 électrons. Ces liaisons sont à l’origine de la cohésion des molécules.

ATP : L’ATP ou adénosine triphosphate est une molécule fournissant chez la majorité des êtres vivants l’énergie nécessaire au fonctionnement de leur métabolisme. Sa formule brute est C10H16N5O13P3.

pH : Le pH (potentiel Hydrogène) classe les solutions en acides ( <7 ) et bases ( >7 ) de 0 à 14, une solution neutre à pour pH 7. C’est la concentration d’ions H+ dans une solution qui fait varier son pH.

Diode : Une diode est un composant électrique permettant le passage du courant électrique dans un seul sens. Elle est composée d’une anode et d’une cathode, le courant va de l’anode vers la cathode.

Bibliographie et sitographie:


  • « Physiologie végétale » 1.Nutrition de René Heller, Robert Esnault et Claude Lance, 2004 ISBN: 2-10-048710-8

  • Science & Vie n°1123 « La vie serait quantique », Avril 2011

  • Science & Vie n°1125 « Solaire, une alternative au nucléaire », Juin 2011

  • Manuel Science et Vie de la Terre Terminale S, Nathan, 2011 «  Les chloroplastes »

  • La photosynthèse: Processus physiques, moléculaires et physiologiques, de Jack Farineau et Jean-François Morot-Gaudry, 2009, ISBN : 978-2-7592-0904-0

  • Energie solaire photovoltaïque 2ème édition d’Anne Labouret et Michel Villoz, 2005, ISBN : 2-10-049052-4

  • Wikipédia, l’encyclopédie libre : http://fr.wikipedia.org/wiki/

  • Site Science Amusante, article « la chlorophylle » : http://www.scienceamusante.net/wiki/index.php?title=Lachlorophylle

  • Site de l’Université Pierre et Marie Curie, articles « la photosynthèse » : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/index.htm

  • Site de l’Ecole Centrale Paris, « la jonction P/N » : http://www.etudes.ecp.fr/physique/illustrations/jonction_PN.htm

  • Site spécialisé dans les sciences de la vie et de la terre : http://www.snv-jussieu.fr




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