Planck constant determination by means of a watt balance
Détermination de la constante de Planck au moyen d’une balance du watt
Résumé
In the view of a forthcoming modification of the Système international of units (SI) based on value of fundamental constants of physics, the LCM-LNE/CNAM has developped a watt balance experiment to contribute to the redefinition of the unit of mass: the kilogram. Indeed, this unit is the last of the base units of the SI based on a material artefact namely the international prototype of kilogram.
A coil, immersed in a radial and horizontal magnetic flux is the centre of the watt balance device. It allows to compare virtual electric and mechanical powers. The determination of electrical quantities referenced to the Josephson effect and the quantum Hall effect establishes a relationship between a macroscopic mass and the Planck constant.
After separate developments of the different elements with on going characterizations and improvements, the entire system has been assembled. The first work of this thesis consisted in the assembly of subcomponents of the watt balance.
Thereafter, we evaluated the main components of uncertainties, especially those related to alignment : alignment relative to the vertical of the laser beam interferometers which measure the velocity of the coil, alignment with respect to the horizontal of the pivots from the beam of the force comparator and finally the evaluation of horizontal Laplace forces and parasitic moments acting on the coil and their influences on determining Planck’s constant.
A determination of the Planck constant was then carried out in the summer of 2014, which gave h = 6.6260688(20)E-34 J s. The relative standard uncertainty associated is 3.1E-7. Suggestions to improve this uncertainty are given.
Dans l’optique d’une modification du SI fondée sur la valeur de constantes fondamentales de la physique, le LCM-LNE/CNAM a développé une expérience de balance du watt, de manière à participer à la redéfinition de l’unité de masse : le kilogramme. Cette unité est en effet la dernière des unités de base du SI qui repose encore sur un artefact matériel le prototype international du kilogramme.
Une bobine, plongée dans un flux magnétique est le cœur du dispositif de la balance du watt. Elle permet la comparaison d’une puissance électrique et d’une puissance mécanique virtuelles. La détermination des grandeurs électriques par comparaison à l’effet Josephson et à l’effet Hall quantique permet alors d’établir une relation entre une masse macroscopique et la constante de Planck.
Après une dizaine d’années de développements séparés des différents éléments, de très nombreuses caractérisations et améliorations, les premiers travaux de cette thèse ont consisté en l’assemblage des sous-ensembles de la balance du watt.
Nous nous sommes ensuite intéressés à l’évaluation des composantes principales d’incertitudes, en particulier à celles qui concernent les problématiques d’alignement : alignement sur la verticale des faisceaux lasers des interféromètres mesurant la vitesse de la bobine, alignement sur l’horizontale des pivots du comparateur de forces ; enfin à l’évaluation des forces de Laplace horizontales et des moments parasites s’exerçant sur la bobine et à leurs influences sur la détermination de la constante de Planck.
Une valeur de la constante de Planck a été déterminée à l’été 2014, qui conduit à h = 6.6260688(20)E-34 J s, évaluation dont l’incertitude-type relative est 3.1E-7. Des propositions pour
améliorer cette incertitude sont avancées.
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