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1 - FILIATION DES UNITÉS ÉLECTRIQUES

2 - ÉTALONS DE CAPACITÉ ET D’INDUCTANCE

3 - ÉTALONS DE RÉSISTANCE

Article de référence | Réf : R905 v3

Étalons de résistance
Étalons électriques fondamentaux passifs

Auteur(s) : François PIQUEMAL

Date de publication : 10 juin 2004

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RÉSUMÉ

Il est de la responsabilité du Bureau national de la métrologie, BNM, de maintenir des équipements étalons capables de réaliser et de conserver des unités. Cet article présente les équipements utilisés pour les étalons de capacité, d'inductance et de résistance, capables de mesurer respectivement le farad, le henry et l'ohm. Des étalons secondaires viennent supporter les équipements primaire du BNM pour transférer les unités électriques aux utilisateurs. Cet article décrit également ces équipements secondaires, leurs principes et les techniques d'étalonnage.

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Auteur(s)

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

INTRODUCTION

La réalisation et la reproduction du farad, du henry et de l’ohm par les laboratoires nationaux de métrologie (LNM), et notamment en France par le Bureau national de métrologie (BNM) [R 60], nécessitent la mise en œuvre de moyens particuliers. Le volt et l’ampère, conformément à l’enchaînement pratique actuel des unités électriques, font l’objet de l’article Étalons électriques fondamentaux actifs.

L’étalon calculable de capacité est un dispositif mécanique dont le principe repose sur un théorème de l’électrostatique. Il présente la particularité d’assurer à la fois la réalisation SI (système international) du farad et la reproduction, ou conservation, de cette unité. De plus, à cet étalon primaire sont raccordés les étalons d’inductance assurant ainsi la réalisation SI du henry.

L’ohm est, quant à lui, matérialisé et maintenu à partir d’un phénomène de la physique quantique de la matière condensée. Il s’agit de l’effet Hall quantique. C’est également le cas pour le volt avec l’effet Josephson alternatif (voir Étalons électriques fondamentaux actifs). Ces phénomènes ont véritablement révolutionné la métrologie électrique du fait que les résistances et les tensions qui en sont issues sont reliées respectivement aux constantes fondamentales h/e2 et 2e/h, où h est la constante de Planck et e la charge de l’électron. Ces phénomènes permettent ainsi de disposer, sous certaines conditions, d’étalons fondamentaux [R 50] dont la valeur est immuable dans l’espace et dans le temps.

Cependant, cette valeur de h/e2 doit être connue avec la plus grande exactitude possible et nécessite de ce fait des réalisations SI de la résistance, d’où l’intérêt de l’étalon calculable de capacité qui permet une détermination directe de l’ohm par le biais d’une comparaison d’impédances de capacité et de résistance. De surcroît, les résultats qui découlent de ces mesures sont confrontés à ceux provenant d’expériences différentes qui impliquent non seulement h/e2 mais également d’autres constantes fondamentales.

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, condensateur de 10 pF et résistances de 1 Ω et 10 kΩ) et les principales techniques utilisées pour leur étalonnage sont également décrits. Le lecteur, désireux d’avoir plus de détails sur les méthodes employées aussi bien dans les mesures en courant continu qu’en basse fréquence, est invité à consulter les références bibliographiques [1]Les SQUID et leurs applications et [2]Étalons électriques fondamentaux « actifs » ainsi que les articles [R 928] et [R 965].

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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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-r905


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3. Étalons de résistance

3.1 Étalon de résistance basé sur l’effet Hall quantique

L’effet Hall quantique (EHQ), découvert par Klaus von Klitzing en 1980 [25], est observé sur un gaz d’électrons à deux dimensions (GE2D) placé à très basse température (T < 4,2 K) et sous forte densité de flux magnétique (B > 1 T). Le GE2D présente une résistance de Hall, rapport de la tension de Hall au courant, qui peut prendre des valeurs quantifiées ne dépendant que de la constante fondamentale h/e2 :

RH(i) = h/ie2

i est un nombre entier. Pour un usage pratique en métrologie, i = 2 ou 4.

Il convient ici de rappeler la formule classique de la résistance transversale, ou résistance de Hall, d’une feuille métallique d’épaisseur d soumise à une densité de flux magnétique B perpendiculaire :

RH = B/(nvde)

nv est la densité volumique des porteurs du courant (en l’occurrence des électrons). Dans une des applications les plus courantes de l’effet Hall, la caractérisation des semi-conducteurs, la mesure de RH permet donc de déterminer nv et également la nature des porteurs (électrons ou trous). Associée à la mesure de la conductivité longitudinale σxx0 à champ magnétique nul, on obtient aussi la mobilité µ, quotient de la vitesse d’entraînement des porteurs sous l’action d’un champ électrique, par la valeur de ce champ :

µ = σxx0/(nve)

Les...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KIBBLE (B.P.), RAYNER (G.H.) -   Coaxial AC Bridges  -  . A. E. Bailey (éd.), Adam Hilger Ltd, Bristol (1984). L’édition originale est épuisée mais une reproduction est disponible au NPL : http://www.npl.co.uk/npl/electromagnetic

  • (2) -   A Guide to measuring resistance and impedance below 1 MHz  -  . The Institute of Measurement and Control (1999).

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

  • (4) - PRANGE (R.E.), GRIVIN (S.M.) -   The quantum Hall effect  -  . Springer-Verlag (1987).

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

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

  • ...

1 Organismes

HAUT DE PAGE

1.1 Organisations internationales et « régionales »

Bureau international des poids et mesures (BIPM) http://www.bipm.fr

Commitee on data for science and technology (CODATA)

CODATA est un comité interdisciplinaire de l’ICSU (International Council of scientific unions). Établi en 1969, il a pour tâche d’améliorer la compilation, l’évaluation critique, le stockage et la recherche de données de première importance pour la science et la technologie. Les valeurs de constantes fondamentales recommandées par le CODATA sont disponibles en ligne. http://www.physics.nist.gov/constants

EUROMET

EUROMET est une organisation pour une collaboration européenne en matière de métrologie créée en 1987. Quatre autres organisations « régionales » existent dans le monde : APMP (Asie et Pacifique), COOMET (Europe de l’Est),...

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