Étalons électriques fondamentaux actifs

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 K_J et une fréquence f sous la forme U = f / K_J. 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, K_J 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 K_J = 2e/h est néanmoins très grande. La valeur de K_J, 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, K_J ou 2e/h, R_K 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 1^er 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].