Dans l'optique d'une modification du Système international d'unités (SI) fondée sur la valeur de constantes fondamentales de la physique, le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) 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 circulaire, plongée dans un flux magnétique radial et horizontal est le coeur du dispositif de la balance du watt. Parcourue par un courant (phase statique), il s'exerce sur elle une force de Laplace nominalement verticale qui est comparée au poids d'une masse étalon. Déplacée de manière nominalement verticale (phase dynamique), il apparaît à ses bornes une tension.Il résulte de la combinaison de ces deux étapes l'égalité 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 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 et notamment à celles liées aux problématiques d'alignement : en particulier l'alignement sur la verticale des faisceaux lasers des interféromètres mesurant la vitesse de la bobine, l'alignement sur l'horizontale des pivots du comparateur de forces, et enfin l'évaluation des forces de Laplace horizontales et des moments parasites s'exerçant sur la bobine et 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 Js, évaluation dont l'incertitude-type relative est 3.1E-7. Des propositions pour améliorer cette incertitude sont avancées. / In the pespective of a modification of the Système international of units (SI) based on value of fondamental constants of physics, the Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) has developped a watt balance experiment, in order to contribute to the redefinition of the unit of mass: the kilogramm. Indeed, this unit is the last one of the base units of the SI which is based on a material artefact: the international prototype of kilogram.A circular coil, immersed in a horizontal and radial magnetic flux is the centre of the watt balance device. Flown by a current (static phase), it exerts on it a nominaly vertical Laplace force which is compared to the weight of a standard mass. Moved nominally vertically (dynamic phase), it appears at its terminals a voltage.It results from the combination of these two steps an equality of virtual electric and mechanical powers. The determination of electrical quantities compared to the Josephson effect and to the quantum Hall effect establishes a relationship between macroscopic mass and the Planck constant.After separate developments of the different elements with continuous characterizations and improvements, the entire system has been assembled, the first works of this thesis consisted in assembling subsets of the watt balance.Then, we have evaluated the main components of uncertainties, especially those related to the alignment issues: alignment relative to the vertical of the laser beam interferometers which measure the velocity of the coil, alignment with horizontal of the pivots from the beam of the forces 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 leads to the value h=6.6260688(20)E-34 Js. The relative standard uncertainty associated is 3.1E-7. Proposals to improve this uncertainty are advanced.

L'unité de masse, le kilogramme, est la dernière unité de base du système international à être définie par un étalon matériel. Sa définition, datant de 1901, se trouve limitée par la stabilité du matériau formant le prototype international. Des dérives allant jusqu'à 2 μg par an sont d'ailleurs observées au niveau des copies du prototype international en platine iridié. Pour tenter d'améliorer la précision sur la détermination de l'unité de masse, différentes expériences ont débuté afin de relier le kilogramme à une constante fondamentale de la physique. L'un de ces programmes a pour nom "balance du watt"et vise à établir un lien entre des mesures mécaniques et des mesures électriques. Cette voie se présente à l'heure actuelle comme l'expérience la plus prometteuse. Dans le dispositif expérimental français, l'utilisation de l'alliage de Pt-Ir n'est pas envisageable comme étalon de masse de référence. Les recherches se sont alors orientées vers des alliages en or platiné et autres métaux précieux. En parallèle la dissémination de l'unité de masse aux multiples et sous multiples du kilogramme de 1 g à 10 kg s'effectue généralement à l'aide d'étalons en acier inoxydable. Si la stabilité de la masse du prototype international n'est pas assurée, ce phénomène est encore plus accentué au niveau de ces étalons secondaires. Pour profiter de l'amélioration attendue de la conservation de l'unité de masse, il faut améliorer la stabilité de ces étalons. La caractérisation de nouveaux alliages métalliques pour réaliser des étalons et l'étude de leur stabilité devient donc nécessaire.

En vue de contribuer à une possible redéfinition du Système international d'unités, les laboratoires nationaux de métrologie français développent une expérience de balance du watt.<br />Cette expérience, dont le principe a été proposé en 1976 par B. Kibble (NPL), permet de relier la masse m d'un étalon (raccordé au prototype international du kilogramme) à la constante de Planck h. Pour permettre, à terme, de redéfinir l'unité de masse en fixant la valeur de cette constante, la mesure du rapport h/m doit être réalisée avec une incertitude relative de l'ordre de 10−8. La mise en œuvre de l'expérience exige de construire des systèmes mécaniques, un circuit magnétique et un système de translation notamment. Pour notre expérience, nous avons choisi de concevoir (i) un circuit magnétique à aimants permanents délivrant un champ d'induction axisymétrique, d'intensité égale à un tesla environ, et dont l'amplitude des variations doit être limitée à 10−4 en valeur relative dans la partie utile de l'entrefer, et (ii) un système de translation à liaisons flexibles contraignant une bobine à se déplacer dans l'entrefer du circuit selon une translation rectiligne et verticale de 80mm de long.<br />Nous étudions les effets, sur le résultat de l'expérience, des écarts de réalisation du circuit magnétique et du système de translation par rapport à leur définition nominale. Nous en déduisons des écarts admissibles tenant compte des compromis incontournables dans toute réalisation et nous présentons la conception, la réalisation et la caractérisation des deux systèmes mis en œuvre.

Le kilogramme reste encore aujourd'hui la seule des sept unités de base du Système International (SI) définie par un étalon matériel appelé le prototype international du kilogramme. Ce prototype est un cylindre constitué d'un alliage de platine iridié (90%Pt-10%Ir) faisant par définition 1 kg exactement. Ce prototype ainsi que tout autre étalon de masse sont exposés à de nombreuses sources de contamination faisant évoluer leur masse malgré les précautions mises en oeuvre. Cette définition pose donc le problème de la pérennité et de l'universalité de l'unité de masse. C'est pourquoi de nouvelles pistes de recherche essayent de relier l'unité de masse à une constante physique fondamentale. Ces expériences pourraient conduire à une nouvelle définition. Ainsi, depuis 2000, le projet français de la balance du watt a été lancé afin de relier l'unité de masse à la constante de Planck. Parmi les options retenues pour réaliser le dispositif expérimental, le choix du matériau de la masse de transfert est particulièrement important puisque celle-ci sera très proche d'un circuit magnétique délivrant une induction de 1 T. Par conséquent, ce matériau doit non seulement avoir une susceptibilité magnétique volumique la plus faible possible (de l'ordre de 10-5) mais aussi présenter toutes les propriétés indispensables aux matériaux de la métrologie des masses (bonne dureté, forte masse volumique, alliage homogène,...). Certains alliages comme l'or-platine ou des matériaux comme l'iridium pourraient satisfaire ces critères. Afin de comparer les « performances »de ce nouveau matériau, le platine iridié a été choisi comme alliage de référence. Pour comprendre les mécanismes d'évolution de la masse en tenant compte de l'état de surface, du nettoyage et des conditions de conservation de ces étalons, il est indispensable de caractériser l'état de surface par des méthodes rugosimétriques, d'évaluer la stabilité par des méthodes de comparaisons de masse, et de caractériser les contaminants de surface par des méthodes spectrométriques. Dans le cadre de ces travaux de recherche, nous avons utilisé des techniques déjà présentes au sein de l'Institut National de Métrologie comme la technique de l'effet mirage pour l'étude de l'adsorption de solvants de nettoyage, un rugosimètre optique pour caractériser l'état de surface et le polissage, un comparateur de masse de 100 g pour étudier la stabilité après nettoyage mais aussi un nouveau dispositif de Spectrométrie de masse de Thermodésorption pour l'étude des molécules physisorbées.

L'unité de masse, le kilogramme, est la dernière unité de base du système international à être définie par un étalon matériel. Sa définition, datant de 1901, se trouve limitée par la stabilité du matériau formant le prototype international. Des dérives allant jusqu'à 2 μg par an sont d'ailleurs observées au niveau des copies du prototype international en platine iridié. Pour tenter d'améliorer la précision sur la détermination de l'unité de masse, différentes expériences ont débuté afin de relier le kilogramme à une constante fondamentale de la physique. L'un de ces programmes a pour nom "balance du watt"et vise à établir un lien entre des mesures mécaniques et des mesures électriques. Cette voie se présente à l'heure actuelle comme l'expérience la plus prometteuse. Dans le dispositif expérimental français, l'utilisation de l'alliage de Pt-Ir n'est pas envisageable comme étalon de masse de référence. Les recherches se sont alors orientées vers des alliages en or platiné et autres métaux précieux. En parallèle la dissémination de l'unité de masse aux multiples et sous multiples du kilogramme de 1 g à 10 kg s'effectue généralement à l'aide d'étalons en acier inoxydable. Si la stabilité de la masse du prototype international n'est pas assurée, ce phénomène est encore plus accentué au niveau de ces étalons secondaires. Pour profiter de l'amélioration attendue de la conservation de l'unité de masse, il faut améliorer la stabilité de ces étalons. La caractérisation de nouveaux alliages métalliques pour réaliser des étalons et l'étude de leur stabilité devient donc nécessaire.