Des scientifiques de l’Université fédérale de l’Oural avec des collègues de l’Institut de recherche de métrologie de l’Oural – une branche de l’entreprise unitaire d’État fédérale « Institut national scientifique et de recherche russe pour la métrologie nommé d’après Dmitry Mendeleev » travaillent sur le développement du système électromagnétique de l’intérieur modèle de balances Kibble. Il s’agit d’un appareil de haute précision, qui est censé devenir une référence de masse – kilogramme. Les scientifiques de l’Oural ont identifié les principales approches qui permettront de créer des balances Kibble avec des caractéristiques de précision qui ne sont pas inférieures aux meilleurs échantillons mondiaux. L’article avec la description de la recherche menée et ses résultats est publié dans la revue Measuring Technology.

Outre la Russie, la Grande-Bretagne, les États-Unis, le Canada, la France, l’Italie, la Suisse, la Turquie, la Chine et la Corée du Sud sont engagés dans le développement et l’amélioration des balances Kibble. La création de la version russe du kilogramme de référence n’est pas seulement une question de prestige, mais aussi de sécurité. Tout d’abord, le simple fait d’emprunter l’appareil est lourd de dépendance vis-à-vis du pays fournisseur. Deuxièmement, la possession de son propre étalon de masse est importante pour des domaines tels que la science et le commerce. Troisièmement, le processus de création d’échelles stimule le développement de la technologie nationale.

La masse d’un poids placé sur une balance Kibble est déterminée avec un soin extrême dans le champ magnétique du système magnétique de la balance. Le problème est que dès qu’un courant électrique est appliqué à la bobine de fil fixée au bol avec le poids et située dans le champ magnétique, le champ magnétique lui-même change. Des experts de l’Université fédérale de l’Oural et de l’Institut national scientifique et de recherche russe pour la métrologie du nom de Dmitry Mendeleev travaillent, entre autres, sur ce problème fondamental.

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Des collègues ont fabriqué deux systèmes magnétiques. L’un d’eux correspond au modèle « classique » accepté dans le monde : il comprend deux aimants permanents constitués de poudres métalliques, et le reste, la plus grande partie du système magnétique, est constitué de matériaux magnétiquement doux (la bobine est constituée de non- matériau magnétique, de sorte que sans appliquer de courant, le champ magnétique du système magnétique l’affecte le moins possible).

« Les aimants sont des matériaux à texture linéaire, cassants et hétérogènes. Alors que nous avons besoin d’une distribution radiale et très homogène du champ magnétique dans ce qu’on appelle l’entrefer – l’espace d’air dans lequel la bobine se déplace. À cette fin, nous avons utilisé des éléments magnétiques doux, qui créent la configuration nécessaire du champ magnétique », explique Alexei Volegov, chercheur principal à la section de magnétisme à l’état solide de l’UrFU.

Les améliorations ont été la première étape dans la résolution du problème. Dans le deuxième système magnétique, fabriqué par les spécialistes de l’Université fédérale de l’Oural et de l’Institut national scientifique et de recherche russe pour la métrologie nommé d’après Dmitry Mendeleev, les aimants permanents sont situés beaucoup plus près de l’entrefer du système magnétique. Cela a réduit la dépendance du champ magnétique à la force du courant électrique qu’il contient.

« Avant de concevoir et d’assembler le premier système magnétique, nous avons calculé ses paramètres à l’aide de la méthode des éléments finis. Et après l’assemblage, nous avons soigneusement mesuré la répartition du champ magnétique, comment la bobine avec le fil se déplace dans le système, quelles forces électromotrices apparaissent, comment la force du courant électrique traversant la bobine affecte les changements de champ et le la cohérence de la bobine, c’est-à-dire le flux magnétique total qui pénètre dans toutes les bobines », explique Alexei Volegov.

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Pour analyser le champ magnétique dans le système, les scientifiques ont fabriqué un appareil de mesure spécial et effectué des mesures pendant deux mois, 10 à 12 heures par jour.

« Grâce à cela, nous connaissons maintenant clairement les forces des systèmes créés et leurs faiblesses, la précision mécanique avec laquelle il est possible de reproduire le système magnétique pour la version russe des balances Kibble dans nos conditions. Les tests du système sur les maquettes des balances Kibble dans la métrologie VNII de Saint-Pétersbourg ont montré que nous avançons dans la bonne direction », résume Alexei Volegov.

La prochaine étape des travaux est consacrée à l’amélioration de l’uniformité du champ magnétique et à l’amélioration du système de mesure. Dans les deux cas, les scientifiques ont une bonne idée de la manière d’accomplir leurs tâches.

A noter que la gestion générale et le financement du projet sont assurés par l’Agence fédérale de réglementation technique et de métrologie (Rosstandart). La recherche est effectuée sur ordre de l’Institut russe de recherche en métrologie du nom de Dmitry Mendeleyev (Saint-Pétersbourg). Les scientifiques de Saint-Pétersbourg sont responsables du développement du concept, de la mécanique et des algorithmes des échelles dans ce projet.