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1 - ÉTALONS DE TENSION CONTINUE

2 - ÉTALONS DE COURANT CONTINU

Article de référence | Réf : R908 v1

Étalons électriques fondamentaux actifs

Auteur(s) : François PIQUEMAL

Date de publication : 10 juin 2004

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RÉSUMÉ

Les étalons électriques actifs sont développés par le Bureau national de métrologie pour réaliser et reproduire le volt et l'ampère. Cet article décrit les étalons primaires et secondaires de tension continue. Les équipements primaires exploitent l’effet Josephson alternatif. Ils permettent un raccordement des étalons secondaires, piles Weston saturées et références à diode Zener, avec de très faibles incertitudes. L'ampère, lui, est reproduit à partir de l'ohm et du volt. Mais il pourrait dans l'avenir être représenté au moyen d’un phénomène quantique, l’effet tunnel à un électron. 

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Auteur(s)

  • François PIQUEMAL : Division métrologie électrique fondamentale, Laboratoire national d’essais (LNE)

INTRODUCTION

La réalisation et la reproduction du volt et de l’ampère par les laboratoires nationaux de métrologie (LNM), et notamment en France par le Bureau national de métrologie (BNM), nécessitent la mise en œuvre de moyens particuliers. Le farad, le henry et l’ohm font l’objet de l’article « Étalons électriques fondamentaux passifs » Étalons électriques fondamentaux passifs.

L’unité de force électromotrice est reproduite à partir de l’effet Josephson alternatif, phénomène quantique qui relie directement une tension continue U à une constante KJ et une fréquence f sous la forme U = f / KJ. Les dispositifs actuels basés sur des réseaux de jonctions Josephson assurent une reproductibilité du volt, de l’ordre de 0,1 nV, soit 10−10 en valeur relative. Ils permettent donc un raccordement des étalons secondaires, piles Weston saturées et références à diode Zener, avec de très faibles incertitudes.

Selon la théorie, KJ devrait correspondre au rapport 2e/h, où h est la constante de Planck et e la charge de l’électron. L’incertitude sur l’égalité KJ = 2e/h est néanmoins très grande. La valeur de KJ, exprimée dans le système SI, n’est en effet connue qu’avec une incertitude de 4 · 10−7 en valeur relative. Il est donc d’un grand intérêt d’améliorer les réalisations SI du volt. C’est un des objectifs de l’expérience dite de la balance du watt menée par plusieurs laboratoires nationaux de métrologie (LNM).

Moyennant certaines hypothèses, cette expérience conduit aussi à une détermination directe de h. Elle permettrait en outre de contrôler le kilogramme, seul artéfact matériel du SI définissant à la fois l’unité et l’étalon. À terme, le SI pourrait alors évoluer vers un système basé uniquement sur les constantes fondamentales, la masse étant redéfinie par exemple à partir de la constante de Planck.

Dans la pratique, l’ampère est reproduit à partir de l’ohm et du volt. À terme, il pourrait être lui aussi représenté au moyen d’un phénomène quantique, l’effet tunnel à un électron, en particulier pour les très faibles intensités de courant (< 1 nA). Cet effet, abordé dans le dernier paragraphe, remettrait l’ampère au premier plan en permettant la réalisation d’un étalon quantique de courant dont l’intensité est directement liée à la charge de l’électron. Pour illustrer ce propos, deux expériences à partir des systèmes à un électron sont traitées. Menées dans plusieurs LNM, elles visent à terme la fermeture du triangle métrologique quantique en appliquant la loi d’Ohm soit sous la forme U = RI par combinaison directe des trois effets quantiques, soit sous la forme Q = CU à partir de la réalisation d’un étalon « naturel » de capacité. L’objectif principal est de vérifier la cohérence des constantes impliquées dans les trois phénomènes, KJ ou 2e/h, RK ou h/e2 et e, avec un niveau d’incertitude relative de 10−8.

Le transfert des unités électriques aux utilisateurs, ou en d’autres termes la traçabilité des grandeurs électriques par rapport aux étalons primaires du SI, est assuré par un étalonnage périodique d’étalons matériels. Ces étalons secondaires, de raccordement (ici, les piles étalons Weston 1,018 V ou les références à diode Zener 1,018 V et 10 V), et les principales techniques utilisées pour leur étalonnage sont également décrits ici.

Les travaux et dispositifs expérimentaux du BNM antérieurs à 2001 qui sont reportés ci-après ont été réalisés au BNM-LCIE (Laboratoire central des industries électriques) dans le cadre de ses anciennes activités de laboratoire national de métrologie du BNM. Depuis le 1er juillet 2001, les activités de métrologie électrique fondamentale et appliquée ont été transférées au BNM-LNE. Une description détaillée du BNM (organisation en groupement d’intérêt public, missions, etc.) est donnée dans l’article [R 60].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r908


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GALLOP (J.C.) -   SQUIDs, the Josephson effects and superconducting electronics  -  . The Adam Hilger Series on Measurement Science and Technology, Adam Hilger (1990).

  • (2) - GRABERT (H.), DEVORET (M.) (éd.) -   Single charge tunneling Coulomb blockade phenomena in nanostructures  -  . NATO ASI Series, Series B : Physics, 294, Plenum Press (1991).

  • (3) -   Étalons et unités de mesure  -  . BNM (1997).

  • (4) - KOSE (V.) (éd.) -   Superconducting quantum electronics  -  . Springer-Verlag (1989).

  • (5) -   Représentation du volt au moyen de l’effet Josephson  -  . Recommandation 1 (Cl-1988), 77e session, CIPM (oct. 1988).

  • (6) -   Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie  -  . ISO (1993).

  • ...

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