Simulation par éléments finis de l’influence d’écarts de géométrie et de perturbations électromagnétiques sur la capacité d’un condensateur calculable de Thompson-Lampard

Réf : CSI/SIMUL/DMSI

Contexte :

Dans le contexte d’un travail coopératif mondial devant aboutir à la refonte du Système International d’unités (SI), le Laboratoire national de métrologie et d’essais développe des dispositifs expérimentaux permettant de mesurer la valeur de constantes fondamentales et de vérifier la validité de relations théoriques les reliant entre elles, jusqu’à des niveaux d’incertitudes très faibles.
La comparaison des résultats obtenus à l’aide des dispositifs du LNE à ceux provenant de différents laboratoires nationaux de métrologie à travers le monde doit conduire, à terme, à un consensus international sur la base duquel seront redéfinies certaines unités à partir des constantes mesurées (unités de base) et mises en pratique certaines autres, dérivées des relations vérifiées (unités dérivées).
L’équipe au sein de laquelle sera effectué le stage proposé travaille sur la détermination directe de la constante phénoménologique de von Klitzing R_K actuellement utilisée pour la conservation de l’ohm à partir de l’effet Hall quantique. Cette détermination doit permettre de vérifier la validité de la relation théorique R_K=h/e² (où h est la constante de Planck et e la charge de l’électron) avec une incertitude relative visée de 10^-8 au plus.
A ce jour, la mesure directe la plus exacte de R_K repose sur la comparaison d’un étalon calculable de capacité à un étalon quantique de résistance par l’intermédiaire de ponts de comparaison d’impédances de très grande exactitude. Afin d’atteindre le niveau d’incertitude recherché, le LNE développe actuellement un nouveau condensateur calculable. La conception de ce condensateur particulier, comportant cinq électrodes fixes et une électrode mobile, doit permettre de s’approcher au mieux des conditions de réalisation du théorème d’électrostatique de Thompson-Lampard, dont l’application permet de calculer exactement la valeur de sa capacité linéique.
Parallèlement à ce développement, une amélioration des ponts de comparaison et des impédances de transfert étalons utilisés est effectuée. Le temps nécessaire à la conception, à la réalisation et à la caractérisation des différents dispositifs devrait conduire à une mesure de R_K aux alentours de 2013-2014.

Missions :

Tout écart par rapport aux spécifications géométriques prévues par le théorème de Thompson-Lampard induit une variation de la valeur théorique de la capacité linéique du condensateur. Il en est de même en présence de champs électromagnétiques perturbateurs pouvant être générés par des pièces environnantes sous tension ou parcourues par des courants. Afin d’estimer au mieux l’influence de ces écarts géométriques et de ces phénomènes perturbateurs, des calculs par simulation numériques sont prévus. Après une période de prise en main du logiciel de calcul par éléments finis (Comsol), le candidat réalisera ces différentes simulations. L’analyse des résultats lui permettra de proposer d’éventuelles améliorations du condensateur et de possibles solutions de protection contre les perturbations électromagnétiques.

Profil :

Etudiant en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2, orienté électromagnétisme, modélisation, calculs par éléments finis.

Connaissances générales en électromagnétisme, et simulation numérique par éléments finis.

Lecture de documents en anglais (technique).

Indemnités :

967€ brut mensuel pour un étudiant en Master 2 + prime sur avis du tuteur

Durée : 4 à 6 mois

Lieu : Trappes (78)