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Sigle UE U1-S6-MAT U2-S6-MAT Sigle module Intitulé module Coef. Coef UE ECTS UE PO-S6 Propagation des ondes 5 10 10 TFS-S6 ThermodynamiquePhysique Statistique 5 PHY-S6 TP Physique 5 C&C-S6 Cristallographie 2Cristallochimie 5 ECT-S6 Electrochimie- Cinétique Chimique 5 10 10 ECHI-S6 Electronique- Liaison chimique 5 Sigle-Semestre : VIB-S6 Propagation des ondes Objectifs : L'objectif du cours « Propagation des ondes » est de : - faire comprendre les aspects fondamentaux associés aux phénomènes ondulatoires propagatifs (aspects énergétiques, transmission, réflexion), - montrer comment ces propriétés fondamentales apparaissent et peuvent être contrôlées dans les domaines d’application de l’acoustique et des matériaux pour l’optique Pré́ -requis : • Maths-VIB-S5 Evaluation : • Contrôles continus Contenu détaillé : • Cours-TD (Ondes&Vibrations 44h: 29h CM, 15h TD) : o Notion d'onde stationnaire, corde vibrante, application aux instruments de musique. o Ondes stationnaires et propagatives ; lois de dispersion généralisées, fréquence de coupure, ondes exponentielles, notion de domaines réactifs et dispersifs. o Puissance propagée, impédances, transmission, réflexion. Application aux domaines de l’acoustique et de l’optique. o Eléments d’acoustique du bâtiment. o Quelques aspects de la propagation d'ondes: dispersion, effet Doppler, non linéarités. o Phénomènes de transport: conduction de la chaleur et diffusion de particules Compétences : • Connaissances acquises : propriétés génériques de tout phénomène ondulatoire, illustrations dans différents domaines des sciences des matériaux • Savoir-faire maîtrisés : description de phénomènes propagatifs sous forme d’ondes planes, interprétation de l’interaction onde/matière au travers de la loi de dispersion, analyse de coefficients de réflexion Bibliographie : • A. Chaigne, J. Kergomard, Acoustique des instruments de musique, Belin • Le livre des techniques du son, dir. D. Mercier, Eyrolles Sigle-Semestre : THERMO-PHYSSTAT-S6 40h (27h CM, 13h TD) Objectifs : L'objectif de ce cours est de donner les bases de la thermodynamique et de la Physique Statistique à des étudiants venant de différentes formations. Ces bases doivent leur servir de socle pour des études ultérieures sur les différentes propriétés des matériaux Pré́ -requis : • • TPPHY-THERMO-S5 Maths-VIB-S5 Evaluation : • Contrôles continus Contenu détaillé : • Cours-TD (partie thermodynamique): o Equation d'état- Coefficients thermoélastiques- Notion de fluide simple. o 1er principe, Travail, Chaleur (coefficients calorimétriques), systèmes ouverts et fermés o Fonction d'état. Définition et applications, en particulier énergie interne et enthalpie. o Second principe -entropie, énergie libre, enthalpie libre o Changement de phases d'un corps pur: Diagramme (Pression, Température); • Point Critique, Point Triple, Relation de Clapeyron. Applications. Cours-TD (partie physique statistique): Ensemble Microcanonique. Postulat fondamental de la physique statistique. Echange de chaleur, Echange de travail, Echange de particules. o Ensemble Canonique, applications : o Ensemble de N oscillateurs harmoniques, ensemble de N spins, Gaz Parfait. o Ensemble Grand Canonique et applications (exemple : adsorption de molécules en surface). o Système de particules identiques et indépendantes : concept de discernabilité et d’indiscernabilité, paradoxe de Gibbs. o Statistiques quantiques, en particulier Statistique de Fermi-Dirac et applications : comportement des électrons dans un métal et/ou dans un semi-conducteur. La statistique de Bose-Einstein est juste abordée. o Compétences : • Savoir aborder un problème de thermodynamique: définition du système, des échanges avec l'extérieur, nature de la transformation, définir les états d'équilibre thermodynamique. • Origine microscopique de l'entropie • Conséquences du 2nd principe sur l'évolution d'un système thermodynamique. • • Compréhension par une approche statistique à l'échelle microscopique des propriétés physiques macroscopiques d'un matériau. Savoir choisir entre les approches classiques et quantiques pour décrire un problème physique ou interpréter des résultats expérimentaux. Bibliographie : • "Thermodynamique", B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Ed. HERMANN. • "Physique statistique", B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Ed. HERMANN. • Physique statistique et Thermodynamique, C. Coulon et S. Moreau, Ed DUNOD. Sigle-Semestre : TPPHY-S6 Objectifs : L’objectif de ce module est d’illustrer par l’expérience des notions abordées dans différents cours : Ondes et Vibrations, Physique Statistique, Cristallographie, etc Pré́ -requis : • Cours et TD de la formation Matériaux du S5 et du S6 Evaluation : • Comptes-rendus de TP • 1 projet Contenu détaillé : • TP (44h): o Mesure de la constante diélectrique du glycérol La mesure expérimentale en fonction de la température et en fonction de la fréquence de la constante diélectrique du glycérol est comparée à celle que l’on obtient à partir des modèles théoriques de Debye et Debye-Lorentz. Le diagramme Cole-Cole sera exploité selon le modèle de Cole-Cole et/ou Davidson-Cole. o Effet Hall dans un semi-conducteur Un courant parcourant une plaque conductrice ou semi-conductrice de section rectangulaire et traversée par un champ magnétique perpendiculaire à sa grande surface et à la direction du courant génère une tension de Hall entre les deux côtés de la plaque. Cette étude permet en outre de caractériser la plaque semi-conductrice (constante et mobilité de Hall, concentration en électrons ou en trous, ...) o Interférence et diffraction d’ondes centimétrique et lumineuse Les figures d’interférences et de diffraction générées par un réseau éclairé par des ondes centimétriques d’une part, et par un ensemble d’éléments diffractant (fentes, trous, réseaux,...) éclairés par un laser He-Ne d’autre part, seront observés et analysés afin de déterminer les principales caractéristiques de ces éléments. o Diffraction des ondes centimétriques par un macro-cristal La diffraction de Bragg sera observée expérimentalement en envoyant des ondes centimétriques sur un macro-cristal cubique. L’indexation des raies se fera à partir du calcul théorique et au moyen de la sphère d’Ewald. o Mesure de la susceptibilité magnétique de quelques corps solides Les susceptibilités magnétiques du laiton, du zinc, du FeCl3 et du bismuth sont mesurées au moyen de trois méthodes : Gouy, Faraday et Quincke. o Propagation du son et des ultra-sons (1) Cette manipulation est consacrée à l'étude des ondes sonores et ultra-sonores. Divers montages sont utilisés pour permettre la détermination des paramètres caractéristiques de ces ondes telles que les longueurs d'onde et les vitesses de propagation dans l’air et dans l’eau. Les phénomènes de superposition d'ondes et l’effet Doppler y sont aussi étudiés. o Propagation du son et des ultra-sons (2) Mesure de la vitesse d’ondes ultrasonores dans des solides. Vitesse longitudinale et vitesse transverse. Analyse des propriétés mécaniques par un essai non destructif. Mesure du module d’Young et du coefficient de poisson. Détermination de défauts dans des métaux par l’utilisation d’ultrasons. o Traction Expériences de Traction, études des propriétés mécaniques de matériaux, mesure de forces à la rupture, détermination du module d’Young pour différents métaux. Caractéristique contraintedéformation, analyse des différents régimes. o Capteurs photovoltaïques Il s’agit ici dans un premier temps de déterminer la caractéristique courant-tension, I=I(Vd), d’une photodiode placée sous obscurité et sous éclairement, et de les comparer à celle d’une diode de redressement. Le rendement de la photodiode sera également déterminé. Le tracé de la caractéristique courant-tension d’une cellule solaire ou photovoltaïque (photodiode de grande surface) sera ensuite abordé pour déterminer le rendement maximum du panneau et donc son point de fonctionnement. • Projet (8h): Le projet consiste pour l'étudiant à réaliser un travail de recherche bibliographique et quelques mesures expérimentales complémentaires à celles réalisées en séance de TP sur un sujet de son choix mais en lien avec les thèmes vus en TP. (Exemple: propagation des ondes acoustiques dans un verre, ...) Compétences : • Sens physique et appropriation des ordres de grandeur des mesures ; • Caractérisation des principaux phénomènes physiques relatifs aux matériaux ; • Travail personnalisé sur un sujet d’initiative personnelle avec recherche bibliographique Intitulé du module: CRISTALLOGRAPHIE 2- CRISTALLOCHIMIE Sigle-Semestre : CRIST2-S6 Objectifs : acquérir les principes de base de la diffraction des rayons X par les matériaux cristallisés, utiliser les Tables Internationales de Cristallographie dans des cas simples de structures cristallines, manipuler le réseau réciproque en vue de son utilisation en physique du solide (systèmes périodiques) et connaître les structures cristallines des principales familles de matériaux avec leurs propriétés physico-chimique associées. Pré-requis : • • • CRIST1-S5 MOD-PRE-S5 Notions mathématiques : transformées de Fourier. Evaluation : • • Contrôles continus Devoir maison Contenu détaillé : 28h CM, 18h TD, TP 2h Ce module est composée de trois parties: Partie 1: Diffusion d’une onde par un système périodique: symétrie et réseau réciproque Cette partie du cours a pour but d’établir le lien entre réseau réel et réseau réciproque, de familiariser l’étudiant à la manipulation du réseau réciproque tant pour l’interprétation des expériences de diffusion des rayons X ou neutrons qu’en vue de son utilisation ultérieure en physique du solide. Après quelques rappels sur les éléments de symétrie (principe de Curie, symétrie ponctuelle, symétrie de translation) - et leurs représentations géométriques ou algébriques - le réseau réciproque est introduit à partir de la diffusion élastique d’une onde par un système de particules diffusantes aboutissant à l’écriture commentée du facteur de structure pour un système périodique parfait. En découle l’introduction de la construction d’Ewald et la notion d’extinctions systématiques liées aux opérations de centrage de maille ou éléments de symétrie avec translation fractionnaire. Sont également abordés les effets de taille finie des échantillons ainsi que de cristal périodique en moyenne (coefficients Debye-Waller). Les mailles réciproques et 1ères zones de Brillouin de quelques systèmes 2D ou 3D sont étudiées plus en détail compte tenu de leur importance en physique du solide. Partie 2: Diffraction par les rayons X : - Nature des RX ; interaction RX-matière ; classification géométrique de la matière (classification de Friedel) ; Relations de Laue ; réseau réciproque et diffraction ; Loi de Bragg ; Construction d’Ewald ; - - - Intensité diffractée : facteur de diffusion, facteur de structure (amplitude et phase), loi de Friedel, diffusion anomale, facteur de multiplicité, facteur de Debye-Waller, extinctions systématiques, réduction des intensités ; Utilisation approfondie des Tables Internationales de Cristallographie Méthodes expérimentales de diffraction des rayons X : - production des rayons X (tube, synchrotron), filtres et monochromateurs, détecteurs ; - chambres et diffractomètres : diffractomètres pour monocristaux (Laue, cristal tournant, méthode de précession, diffractomètre 4 cercles), diffractomètres pour poudres DebyeScherrer et Bragg-Brentano ; - Indexation des diagrammes de diffraction d’une poudre microcristalline ; - l’enseignement s’accompagne d’une visite du centre de diffractométrie de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (diffractomètres pour monocristaux et poudres, enceintes réactionnelles pour mesures in situ). Partie 3: Cristallochimie des principaux matériaux : Rappels succincts sur le tableau périodique ; rappels sur les empilements cubiques et hexagonaux, les sites interstitiels ; Organisation et systématique des structures : - descriptions structurales par polyèdres au travers du remplissage des sites tétraédriques et octaédriques des empilements compacts afin de mettre en évidence facilement les relations et filiations entre structures cristallines ; - descriptions en chaînes, en couches et 3D de structures types ; Transitions de phases et transformations de différentes structures ; Relations entre structures cristallines et propriétés physico-chimiques des matériaux (ex. jauges à oxygène, matériaux semi-conducteurs, supraconducteurs, conducteurs ioniques…). Compétences : • A l’issue de ce module l’élève ingénieur connaîtra les principes généraux de la diffraction • par des matériaux – essentiellement cristallisés. Il saura choisir l’instrument adapté à l’analyse structurale du matériau étudié. L’élève ingénieur connaîtra les principales classes cristallochimiques de matériaux en termes de structures cristallines, les relations structurales qui les lient et les propriétés qui en résultent afin de les mettre en relation avec les applications visées. Bibliographie : • « DIFFRACTION DES RAYONNEMENTS : INTRODUCTION AUX CONCEPTS ET METHODES » J. Protas, ed. Dunod. • « Cristallographie », D. Schwarzenbach, ed. Presses polytechniques et universitaires romandes • « Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale », M. Van Meerssche et J. Feneau-Dupont, ed. Peeters • « Cristallographie géométrique et radiocristallographie », J.J. Rousseau, ed. Masson • « Chimie des solides », J.F. Marucco, ed. EDP Sciences. • Introduction à la Physique des Solides, chapitres 1 et 2, C.Kittel, ed. Wiley & Sons • X-ray diffraction in crystals, imperfect crystals and amorphous bodies, A.Guinier, ed. Dover Sigle-Semestre : CIN-ELCH-S6 L'objectif de ce cours est de donner une base en électrochimie de corrosion ainsi qu’en cinétique chimique. Objectifs : Pré́ -requis : • • • maths niveau L1-L2 ou DUT notions de chimie générale et chimie des solutions notions de physique Evaluation : • • Notes TP Contrôle continu Contenu détaillé : Ce module d'enseignement est composé de deux parties, Cinétique chimique et électrochimie: • Cours (Cinétique chimique 6h CM, 4h TD) : 1ère partie: o Généralités (avancement et vitesse de réaction, molécularité et ordre de réaction). o Réactions simples (équations cinétiques et méthodes de détermination des ordres de réaction). o Méthodes expérimentales (chimiques et physiques) appliquées à l’étude cinétique de réactions. o Dépendance de la vitesse de réaction de la température (équation d’Arrhenius et son facteur pre-exponentiel, énergie d’activation, notion de complexe activé). o Exemples de réactions complexes (réactions opposées, réactions parallèles). 2ème partie o Cinétique de la réaction en milieu hétérogène (notion de front ou d’interface de réaction) o Cinétique de réactions entre solides : o – modèle monodimensionnel : loi parabolique de diffusion d’espèces réactives ; o – modèle tridimensionnel de diffusion de Jander o Introduction à la catalyse hétérogène, équation de Langmuir. • TD (Cinétique chimique) o 1er T.D. : généralités et réactions simples. o 2ème T.D. : méthodes expérimentales en cinétique chimique et applications de l’équation d’Arrhenius. o 3ème T.D. : réactions complexes (opposées et/ou parallèles). o 4ème séance : contrôle des connaissances Celui-ci portera sur des questions ou des applications sans calcul numérique issues du cours et sur 1 ou 2 exercices concernant le programme des T.D. et de la première partie du cours. • Cours (Electrochimie) : 10h CM o Réactions redox dans les solutions et à l'interface. Potentiel chimique, potentiel de phase et potentiel électrochimique. La double couche électrique. Potentiel d’un couple électrochimique réversible. Solvatation et énergie de réorganisation. Les approches de Brönsted et de Marcus. Force motrice d'un processus électrochimique. Transfert d'électron et sens des réactions. Equilibres en solution. Série galvanique des métaux. Diagramme potentiel-pH. Piles à combustibles. o Cinétique électrochimique. Transfert de masse et de charge dans les solutions. Energie d'activation d'un processus électrochimique. Courbe de polarisation. Equation de Butler-Volmer ; surtension, courant d’échange, coefficient de transfert ; systèmes rapides et lents ; loi de Tafel. o Les éléments d'électrochimie du solide. Transfert de charge dans les solides ; dopages n- et p- ; polymeres conducteurs. Electrochromisme. o Applications : Dosages, générateurs, électrolyses, électroplating (dépôt, raffinage et traitement des métaux), production du Cl2 et de soude. • TD (Electrochimie) : 6h TD o Analyse d'un système électrochimique et détermination de ses paramètres fondamentaux. Transfert d'électron, l'énergie standard et l'énergie d'activation d'un processus électrochimique et approches de Brönsted et de Marcus. o Produit de solubilité, constantes d'équilibres (autoprotonation, solubilité, complexation). o Dépôt d'un métal (pur et en alliage). • TP (Electrochimie): 18h TP o Tracé des courbes intensité-potentiel. Les méthodes potentiostatique et potentiodynamique. Voltamperometrie linéaire et voltamperometrie cyclique. o Méthodes électrochimiques d’analyse. Dosages des systèmes redox bases sur les courbes de polarisation (potentiometrique et amperometrique). o Systèmes redox. Piles – accumulateurs. Potentiel d’oxydo-réduction de quelques couples Mn+/M. Pile de concentration. Détermination du produit de solubilité. Etude de la thermodynamique des électrodes. o Applications de l'électrolyse. Préparation électrochimique du chlore et de la soude. o Dépôt cathodique d'un métal en solution aqueuse. Dépôt du Ni sur Cu. Courbes de polarisation. Compétences : • A l’issue de cet enseignement l’élève aura acquis les notions indispensables pour amorcer une étude cinétique de la réaction chimique et pour la mise en œuvre appropriée: a) des équations cinétiques applicables aux divers types de réactions et aux divers ordres de réactions ; b) des modèles cinétiques concernant au moins une phase solide agissant comme réactif ou comme catalyseur de réaction. • Les étudiants doivent savoir définir un système redox dans les contextes différents, savoir décrire et analyser ses paramètres électrochimiques. Pouvoir faire les prévisions sur la possibilité, la direction d'un processus électrochimique et sur sa vitesse. Pouvoir interpréter les données électrochimiques primaires : les courbes de polarisation obtenues par les méthodes potentiostatiques et potentiodynamiques (voltamperométrie linéaire et cyclique), les chronoamperogrammes au potentiel imposé, les courbes de dosage. Maîtriser les méthodes principales d'analyse électrochimique et savoir les adapter en fonction du contexte. Pouvoir réaliser une électrolyse et effectuer sa suivie par les méthodes électrochimiques. Bibliographie : J.O'M. Bockris, A.K.N. Reddy, M.E. Gamboa-Aldeco, Modern electrochemistry. Springer, 2001. A. Bard, L. Faulkner, Electrochemical methods. John Wiley and Sons, New York, 2001. R.W. Fawcett, Liquids, solutions and interfaces. Oxford, 2004. C. Moreau, J.P. Payen, Solution aqueuses, Belin, 1996. R. Gaboriaud, Physico-chimie des solutions, Masson, 1996. P.G. Bruce, Solid state electrochemistry, Cambridge University Press, 1995. Sigle-Semestre : LCH-ELQ-S6 Objectifs : Atomistique - Liaison chimique : -donner des bases permettant de comprendre la structure électronique des atomes et des molécules -apprendre à construire un diagramme qualitatif simple d’orbitales moléculaires. L’appliquer à l’étude de la structure et de propriétés physicochimiques moléculaires. Electronique : Acquérir les connaissances de base de l’électronique numérique afin de maitriser l'emploi des circuits logiques combinatoires et séquentiels. Les étudiants auront à travers cet enseignement un aperçu des dispositifs numériques couramment utilisés (numérisation des signaux et de l'information, capteur analogique, afficheur digital, mémoires..). Pré́ -requis : • • MOD-AT-MINE-SYM-S5 MOD-ELQ-MATHS-S5 Evaluation : • • Notes de TP Contrôles continus Contenu détaillé : • Cours-TD (Liaison chimique 15h CM, 7h TD) : o o o o o o o • le problème monoélectronique (approche LCAO variationnelle) exemples simples (H2, N2, O2, F2) interactions orbitalaires. Approche perturbationnelle. application à la construction de diagrammes d'OM qualitatifs. structure électronique de molécules simples et de molécules hypervalentes. relation structure électronique/structure géométrique/propriétés structure électronique de complexes de métaux de transition Cours (Electronique numérique 9h CM, 4h TD, 9h TP) : o Ch. I. Fonctions logiques binaires (AND, NAND, OR..., méthodes de simplification (algèbrique, tables de Karnaugh...) o Ch. II. Fonctions logiques séquentielles ( bascules JK, RS, D...) o Ch. III. Codage, Comptage et affichage digital (compteur BCD, afficheur 7 • segments) o Ch. IV. Convertisseur analogique-numérique. TD-TP: o Application et résolution de Problème : Simplification des fonctions logiques o combinatoires, Schéma de réalisation. Utilisation des portes et circuits logiques TTL, CMOS, réalisation des comparateurs et additionneur, codeur d’information. Réalisation de compteurs BCD. Eventuellement réalisation de convertisseur analogique nbits. Compétences : • • • • Liaison chimique: Interpréter et comprendre les propriétés des complexes de métaux de transition sur la base de leurs structures électroniques et de leurs géométries. Electronique: Utilisation des instruments de mesure de base : oscilloscope numérique, générateur de fonctions, multimètre, ... Connaissance des composants électroniques et des fonctions de base de l’électronique analogique et logique. La connaissance et manipulation des dispositifs de base de l’électronique intégrée (diode, transistors…) facilitera la compréhension de la physique de ces mêmes dispositifs (cours de 2ème année). Bibliographie : liaison chimique: - D.A. Mc QUARRIE « Chimie Physique – Approche moléculaire » Dunod, Paris (2000) - R. LISSILLOUR « Chimie théorique- applications à la spectroscopie ; cours et exercices corrigés » Dunod, Paris (2001) - Y. JEAN et F. VOLATRON : « structure électronique des molécules » 2 volumes, Dunod (2003) Electronique: - Roger BOURGERON « Schémas et circuits électroniques. [Vol. 2], Du générateur de signaux aux circuits logiques » Dunod, Paris (2005). -Ronald J. TOCCI « Circuits numériques : théorie et applications », Dunod, Paris.