Étalons électriques fondamentaux passifs

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 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].