Avec l’ohm et le volt, l’ampère est l’une des trois unités fondamentale pour le domaine électrique. Introduite dans le Système international d’unités (SI) comme unité de base en 1948, sa définition restée inchangée depuis 70 ans. Mais en novembre 2018, tout change, et l’ampère est redéfini à partir d’une constante fondamentale de la nature : la charge élémentaire, notée e.

Carte d’identité de l’ampère

Logo SI - ampereDéfinition officielle (1948 – 9e CGPM)

Symbole : A

Grandeur : intensité d’un courant électrique

Unités dérivées de l’ampère: coulomb, volt, ohm, farad, henry, tesla

L’ampère passe à l’ère quantique

Depuis 1948, l’ampère, l’unité de l’intensité du courant électrique, est défini à partir de la force mécanique s’exerçant entre deux fils séparés d’un mètre dans lesquels circule un courant électrique. Cependant, en pratique, cette définition est difficile à réaliser avec l’incertitude de mesure requise. Du reste, elle n’exprime pas ce qu’est fondamentalement un courant électrique, à savoir un flux de charges élémentaires par unité de temps. D’où l’idée de redéfinir l’ampère en fixant la valeur de la charge élémentaire, e. En vue de cet objectif, les chercheurs du LNE ont réalisé un étalon matérialisant cette nouvelle définition avec une incertitude relative record de 10-8.

Définition de l'ampère

Logo SI - ampère

 

L'ampère, unité de courant électrique du SI, est défini en prenant la valeur numérique fixée de la charge élémentaire, e, égale à 1,602 176 634 × 10–19 lorsqu’elle est exprimée en C, unité égale à A·s, la seconde étant définie en fonction de ΔνCs.

 

« Pourquoi redéfinir l’ampère et  pour quels bénéfices? »

« Une redéfinition de l’ampère qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la métrologie électrique »

En pratique, dans les laboratoires de métrologie on réalise l’étalon de courant électrique à partir de deux étalons de tension et de résistance. Leurs unités – le volt et l’ohm – peuvent en effet être réalisées à 10-9 près grâce à deux effets quantiques (l’effet Josephson et l’effet Hall quantique) qui ne dépendent que de e et de la constante de Planck. L’ampère est alors réalisé en appliquant la loi d’Ohm qui relie tension, courant et résistance. Néanmoins, concrètement, on applique cette loi à des dispositifs physiques qui, bien qu’étalonnés à partir d’étalons quantiques, dérivent dans le temps. Ainsi, l’incertitude relative sur l’ampère est typiquement de 10-6.

Pour faire mieux, les scientifiques du LNE ont mis au point un circuit quantique permettant d’appliquer directement la loi d’Ohm aux étalons quantiques de tension et de résistance. En pratique, ils ont dû trouver un moyen de s’affranchir des résistances parasites des connexions électriques reliant les deux étalons, à l’origine d’erreurs sur le courant quantique de référence. Comment ? Les propriétés de l’effet Hall quantique permettent l’ajout de connexions supplémentaires entre les deux étalons, dans lesquelles le courant circulant est d’autant plus faible que le nombre de connexions est grand. Résultat : la chute de potentiel parasite liée aux connexions devient négligeable et le courant de référence reste parfaitement quantifié.

Un courant proportionnel à la charge élémentaire

A partir de là, un amplificateur ultra-sensible et exact détecte le courant de référence en additionnant l’ensemble des courants le constituant, puis l’amplifie en asservissant une source de courant externe. Ce générateur quantique de courant offre un premier exemple de combinaison de deux étalons quantiques. Il délivre des courants sur une large gamme de valeurs comprises entre 1 µA et 10 mA, exacts à 10-8 près. Enfin, il réalise bien la future définition de l’ampère puisque, via les effets Hall quantique et Josephson, il délivre un courant proportionnel à la charge élémentaire.

Pour l’heure, le dispositif est imposant, nécessitant pas moins de trois systèmes cryogéniques pour refroidir, à une température proche du zéro absolu, les étalons quantiques de tension et de résistance ainsi que l’amplificateur. Mais les chercheurs du LNE ont montré qu’il est possible d’obtenir l’effet Hall quantique dans du graphène sous un champ magnétique plus faible et à une température moins contraignante que dans un échantillon d’arséniure de gallium tel qu’utilisé actuellement. Ainsi, à terme, un seul cryostat sera nécessaire pour mettre en œuvre notre étalon. Celui-ci est néanmoins déjà prêt à l’emploi pour la redéfinition du Système international d’unités.

« Les pistes étudiées pour faciliter la réalisation du nouvel étalon »

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