Christof Gaiser, scientifique de la PTB, au thermomètre à gaz à constante diélectrique de la PTB, qui sert à mesurer la capacité. Crédit :PTB
Des scientifiques de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ont mis en œuvre une nouvelle méthode de mesure de la pression, en partie comme un sous-produit du travail sur le "nouveau" kelvin. En plus d'être nouveau, cette procédure est une méthode primaire, c'est-à-dire que cela ne dépend que des constantes naturelles. En tant que méthode indépendante, il peut être utilisé pour vérifier les manomètres les plus précis, pour laquelle PTB est reconnu comme le leader mondial.
Le contrôle de tels instruments était autrefois possible dans une fourchette allant jusqu'à 100, 000 pascals seulement; maintenant 7 millions de pascals sont réalisables. Une comparaison entre des mesures de pression mécaniques et électriques a ainsi été réalisée pour la première fois avec une incertitude relative inférieure à 5 × 10 -6 . De plus, cette nouvelle méthode offre des possibilités uniques pour étudier l'hélium, un système modèle important pour les principes fondamentaux de la physique. Les scientifiques ont rendu compte de leurs travaux dans le numéro actuel de Physique de la nature .
Avez-vous déjà été piétiné par une personne portant des talons aiguilles ? Si vous connaissez ce genre de douleur, vous avez peut-être déjà considéré que la pression correspond à une force par unité de surface, ou, être plus précis, qu'il est le résultat d'une force appliquée verticalement sur une surface. C'est aussi le principe selon lequel fonctionnent les méthodes de mesure de pression les plus précises. Lors de l'utilisation d'une balance manométrique, vous mesurez la pression du gaz sous un piston d'une surface exactement connue en déterminant la force gravitationnelle exercée sur le piston. Les balances manométriques de PTB sont actuellement les manomètres à piston les plus précis au monde :instruments de haute précision, chacun d'eux fabriqué avec beaucoup d'efforts.
Comme il y a, cependant, des plages de pression dans lesquelles même les meilleures balances manométriques ne mesurent pas aussi précisément que les métrologues le souhaiteraient. Des efforts ont été déployés pour développer des méthodes alternatives de mesure de la pression depuis longtemps. "Notre nouvelle méthode est en fait très simple :elle est basée sur la mesure de la densité du gaz de mesure d'hélium au moyen d'une mesure de capacité. Cela signifie que nous mesurons à quel degré le gaz modifie la capacité d'un spécial, condensateur très stable entre les électrodes, " explique Christof Gaiser, physicien au PTB. Cette méthode ne fait référence qu'à une propriété universelle de l'hélium gazeux, qui s'exprime via la constante diélectrique; c'est donc une méthode primaire.
Gaiser et ses collègues ont ainsi réussi à réaliser pour la première fois en pratique une approche théorique révolutionnaire. Dès 1998, Mike Moldover de l'institut de métrologie américain NIST avait exprimé son idée de mesurer la pression via une mesure électrique (capacité) en utilisant des calculs théoriques des propriétés gazeuses de l'hélium. Dans les années suivantes, cependant, la mise en œuvre de cette idée s'est avérée être un véritable défi. À la fois la mesure de précision de la capacité et les condensateurs très stables nécessaires à cet effet, ainsi que les calculs théoriques utilisant uniquement des constantes naturelles (calculs ab initio) n'étaient pas encore possibles avec la précision requise. De plus, il n'a pas été possible de les comparer avec précision avec les balances manométriques conventionnelles.
L'un des nouveaux développés, balances manométriques très précises. Crédit :PTB
Chacun des obstacles expérimentaux a été levé au PTB au cours de la dernière décennie. En raison des activités menées dans le cadre de la nouvelle définition de l'unité de base kelvin, qui a atteint son apogée le 20 mai de cette année avec l'introduction d'un système amélioré d'unités, les mesures de pression conventionnelles à la fois avec des balances manométriques et via des mesures de capacité ont été portées à un niveau sans précédent dans le monde entier.
Grâce aux derniers calculs théoriques réalisés par divers groupes de recherche à travers le monde, il est désormais possible de mesurer une pression de 7 millions de pascals (soit 70 fois la pression normale) avec une incertitude relative inférieure à 5 × 10 -6 . Cette mesure a été confirmée par comparaison avec une balance manométrique classique. Il s'agissait de la première comparaison sur un pied d'égalité entre les mesures de pression mécaniques et électriques.
A gauche :mesure de pression conventionnelle avec une balance manométrique selon pPB =Fg/Aeff (PB :balance manométrique; g :force gravitationnelle; Aeff :surface effective d'un ensemble piston/cylindre). A droite :La nouvelle approche électrique :la variation relative de capacité C(T) provoquée par le gaz de mesure à une température connue T, qui est déterminé au moyen d'un thermomètre à résistance étalonné R(T), peut être directement lié à la pression du gaz. La constante diélectrique et l'interaction des particules de gaz entrent dans les calculs ab initio requis :pab-initio(C, T, Gasab-initio) Crédit :PTB
Ainsi, une deuxième méthode est maintenant disponible pour étalonner la pression avec une grande précision. La méthode elle-même et la comparaison directe avec l'offre standard de pression conventionnelle, pour une chose, la possibilité de vérifier les calculs théoriques de l'hélium, un système modèle important en physique atomique. Pour un autre, ils permettent également de mesurer d'autres gaz et ainsi, la théorie et la métrologie des gaz doivent être développées davantage.
