Grandeurs - Symboles - Dimensions

Un étalon de mesure est une grandeur de référence qui sert à définir ou à matérialiser l'unité de mesure. Celui-ci doit être précis, exact, reproductible et universel.

Les unités fondamentales doivent être matérialisées par des étalons fondamentaux. La réalisation et l'amélioration des étalons de mesure, en France, sont à la charge de laboratoires désignés par le Bureau National de Métrologie. Ces laboratoires de mesure couvrent l'ensemble des unités de temps, de fréquence, mécaniques, électriques, magnétiques, de température, de radiométrie, de quantité de matière et de rayonnements ionisants.

Nous trouvons, par exemple, dans le domaine de la mécanique les unités de base et unités dérivées suivantes : le mètre \(\textrm{(m)}\), le kilogramme \(\textrm{(kg)}\), le newton \(\textrm{(N)}\), le pascal \(\textrm{(Pa)}\), le joule \(\textrm{(J)}\), le watt \(\textrm{(W)}\), etc. ...

Parmi ces unités, seul le kilogramme est représenté matériellement par un étalon unique. Ce prototype, réalisé en 1889 et conservé au Bureau International des Poids et Mesures à Sèvres, est un cylindre de \(\textrm{39 mm}\) de diamètre et de hauteur en platine iridié à \(10 \%\). Des copies de ce prototype dispersées dans différents pays servent d'étalons de masse.

Les mesures de masse peuvent être faites avec une précision de \(10^{-6}\).

La représentation matérielle d'un mètre étalon n'existe pas. Néanmoins pour des besoins industriels, la matérialisation d'étalons de longueur est réalisée. Depuis 1960, la mesure d'une longueur donnée nécessite une comparaison avec la longueur d'onde \(\lambda\) d'une radiation électromagnétique de fréquence \(\upsilon\) connue et conduit à la définition :

Le mètre \(\textrm{(m)}\) est la longueur égale à \(\mathrm{1 ~650 ~763,73}\) longueurs d'onde dans le vide de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux \(2p^{10}\) et \(5d^5\) de l'atome de krypton \(86\).

La très grande précision \((10^{-14})\), de l'unité du temps amène à redéfinir en 1983 le mètre à partir de la vitesse \(c_0\) de la lumière dans le vide \((c_0=\lambda v_0)\) par cette nouvelle définition :

Nous trouvons pour le newton, unité de force une machine de force de référence servant à étalonner des dynamomètres, sur une gamme de quelques newtons à \(5 \cdot 10^5\) N avec une précision de \(10^{-5}\) et pour l'unité de pression, le pascal, un manomètre à mercure, précis à \(6 \cdot 10^{-6}\) pour des pressions voisines de la pression atmosphérique \((10^5 \textrm{ Pa})\), ainsi que des balances de pression couvrant le domaine de \(2 \cdot 10^3\textrm{ Pa}\) à \(10^9\textrm{ Pa}\).

Quant aux unités de travail (joule) et de puissance (watt), dont les définitions intègrent des grandeurs mécaniques, elles n'ont pas d'étalons spécifiques dans ce domaine. Des mesures électriques, d'énergie dissipée par effet Joule, servent de référence.

Parmi toutes les grandeurs physiques, la plus grande précision \((10^{-14})\) est obtenue sur l'étalon du temps et de la fréquence par l'horloge atomique à césium. L'évolution des critères de choix des étalons par le progrès de la technique amène à changer ces étalons de mesure.