Balance du watt

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Balance du watt du National Institute of Standards and Technology. Le dôme qui descend autour de la balance lors de la mise sous vide est visible au-dessus de l'appareil.

La balance du watt est un appareil qui permet de convertir, avec neuf chiffres significatifs, la puissance mécanique en puissance électrique et vice-versa. Ce dispositif est notamment utilisé dans le but de réaliser une nouvelle définition expérimentale du kilogramme.

Description de la balance théorique[modifier | modifier le code]

Dans le cas de la balance du watt, il faut effectuer deux mesures : l'une statique, qui est celle de la balance de Cotton ; l'autre dynamique qui mesure une différence de potentiel d'induction de Faraday.

  • La mesure statique consiste à équilibrer la masse étalon (en l'occurrence le kilogramme) par une force de Laplace usuelle : m \cdot  g = B \cdot l \cdot I \,
    La bobine de longueur l est circulaire et horizontale, le champ magnétique est radial et horizontal et la force de Laplace est donc verticale. On mesure I via un effet Josephson U et une résistance de Klitzing R. La mesure de g ne pose plus de problème à l'heure actuelle, au niveau de précision requis.
  • La mesure dynamique consiste à déplacer verticalement à vitesse constante la bobine : on recueille la ddp d'induction E = B\cdot l\cdot v \, : on mesure v et on mesure E par effet Josephson.

À supposer que B et l ne varient pas entre les deux mesures (ce qui est l'astuce utilisée), alors on a : m\cdot g\cdot v = E\cdot I  \, ce qui permet la mesure de m à l'aide de la relation :

m = \frac{E\cdot U}{R\cdot g\cdot v} \,

Métrologie[modifier | modifier le code]

La difficulté est évidemment la métrologie de v en maintenant B constant (d'environ 1 T) : il faut réaliser sur environ 4 cm d'entrefer un champ à symétrie de révolution, uniforme sur les 4 cm, ce qui exige un entrefer extrêmement bien usiné (il ne doit pas être d'épaisseur égale) et il faut que la bobine passe à l'endroit exact, ce qui exige une symétrie parfaite du dispositif de translation de la bobine.

Tout est concentré dans le fait qu'il faut avoir une meilleure stabilité, répétabilité et sensibilité qu'une balance métrologique ordinaire. Alors le kilogramme international pourrait être pesé, et ses variations (adsorption, nettoyage…) pourraient être enregistrées : ce qui le rendrait caduc. En fait la mesure faite par la balance reposerait alors sur la valeur de la constante de Planck (pour des raisons évidentes d'homogénéité EU/R ne dépend pas de la charge de l'électron !). On devrait alors fixer la valeur de h, tout comme en 1983 on a dû fixer la valeur de la célérité c de la lumière dans le vide.

Il conviendra de voir alors si la valeur de la constante de structure fine, \alpha, est compatible avec la valeur de e tirée de Josephson et de Von Klitzing.

Entrée en vigueur[modifier | modifier le code]

Initialement prévue en 2007, l'entrée en vigueur de ces nouvelles normes a été repoussée à 2011 à cause du manque de balances de Watt en usage actuellement.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]