Nouveau Système International d'Unités à compter du 20 mai 2019

1- Qu'est-ce que la métrologie ?

La métrologie, selon le VIM, est : la science des mesurages et ses applications NOTE : La métrologie comprend tous les aspects théoriques et pratiques des mesurages, quels que soient l'incertitude de mesure et le domaine d'application.

La métrologie est la science de la mesure ; elle embrasse à la fois les déterminations expérimentales et théoriques à tous les niveaux d'incertitude et dans tous les domaines des sciences et de la technologie.

La science de la mesure et ses applications n'intéressent pas uniquement les scientifiques et les ingénieurs. Elles sont indispensables à tous. Les réseaux intimement mêlés, bien qu'invisibles, des services, du commerce et de l'industrie, et des communications dont nous dépendons tous, ont besoin de la métrologie pour fonctionner de manière efficace et fiable.

Par exemple :

• la réussite économique des nations repose sur des procédures de fabrication fiables, afin d'assurer la qualité et la sécurité des produits ;
• les systèmes de navigation par satellite et les liaisons horaires du temps international permettent de localiser des points avec exactitude ; ils sont indispensables au fonctionnement des réseaux informatiques mondiaux, et permettent aussi aux avions d'atterrir dans des conditions de faible visibilité ;
• la santé humaine dépend de manière critique de la possibilité d'effectuer un diagnostic exact, mesurable, dans le domaine des soins et dans les laboratoires médicaux ;
• pour être acceptés, les produits manufacturés doivent, au moyen de mesures, apporter la preuve qu'ils sont conformes à des normes établies. Ces mesures doivent être acceptables dans le monde entier pour éviter les obstacles techniques au commerce.

Toutes les mesures physiques et chimiques affectent la qualité de la vie dans notre environnement quotidien.

2- Unités du Système international (SI)

2.1- Définition

Système international d'unités SI : système d'unités, fondé sur le Système international de grandeurs, comportant les noms et symboles des unités, une série de préfixes avec leurs noms et symboles, ainsi que des règles pour leur emploi, adopté par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM)

2.2- La Convention du Mètre

     
     La Convention du Mètre est le traité qui a créé le Bureau international des poids et mesures (BIPM), une organisation intergouvernementale sous l'autorité de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) et sous la direction et la surveillance du Comité international des poids et mesures (CIPM). Le BIPM a autorité pour agir dans le domaine de la métrologie mondiale – en particulier en ce qui concerne les étalons de mesure, qui sont appelés à couvrir avec une exactitude croissante des domaines de plus en plus étendus et variés – et pour démontrer l'équivalence entre les étalons des différents pays.

    La Convention du Mètre a été signée à Paris en 1875 par dix-sept États. En créant le BIPM et en instituant son mode de fonctionnement, la Convention du Mètre a établi une structure permanente permettant aux États Membres d'avoir une action commune sur toutes les questions se rapportant aux unités de mesure.

      La Convention a été légèrement modifiée en 1921.

2.3- Conférence générale des poids et mesures

La Conférence générale des poids et mesures (CGPM) rassemble des délégués des États Membres et des observateurs des Associés à la CGPM. 

Le rapport du Comité international des poids et mesures (CIPM) sur les travaux accomplis est présenté à la Conférence générale. Celle-ci discute et examine les dispositions à prendre pour assurer l'extension et l'amélioration du Système international d'unités (SI), sanctionne les résultats de nouvelles déterminations métrologiques fondamentales, prend des résolutions scientifiques de portée internationale dans le domaine de la métrologie, et prend aussi des décisions importantes concernant l'organisation, le développement du BIPM, et sa dotation.

La CGPM se réunit à Paris, normalement tous les quatre ans. La 25e réunion a eu lieu du 18 au 20 novembre 2014 et la 26e réunion se tiendra à Versailles du 13 au 16 novembre 2018.

2.4- Historique du Système International SI

•      Le 22 juin 1799 : les deux étalons en platine représentant le mètre et le kilogramme ont été déposés aux archives de la république à Paris suite à la création du système métrique décimal au moment de la révolution française. Cette phase est considérée comme la première étape ayant conduit au Système international d'unités actuel.
•    1832, Gauss œuvra activement en faveur de l'application du Système métrique, associé à la seconde, définie en astronomie, comme système cohérent d'unités pour les sciences physiques. Gauss fut le premier à faire des mesures absolues du champ magnétique terrestre en utilisant un système décimal fondé sur les trois unités mécaniques millimètre, gramme et seconde pour, respectivement, les grandeurs longueur, masse et temps. Par la suite, Gauss et Weber ont étendu ces mesures pour y inclure d'autres phénomènes électriques.
•     Dans les années 1860, Maxwell et Thomson mirent en œuvre de manière plus complète ces mesures dans les domaines de l'électricité et du magnétisme au sein de la British Association for the Advancement of Science (BAAS, maintenant BA). Ils exprimèrent les règles de formation d'un système cohérent d'unités composé d'unités de base et d'unités dérivées.
•      En 1874 la BAAS introduisit le système CGS, un système d'unités tri-dimensionnel cohérent fondé sur les trois unités mécaniques centimètre, gramme et seconde, et utilisant des préfixes allant de micro à méga pour exprimer les sous-multiples et multiples décimaux. C'est en grande partie sur l'utilisation de ce système que se fonda, par la suite, le développement expérimental des sciences physiques. Compléter de façon cohérente le système CGS pour les domaines de l'électricité et du magnétisme conduisit à choisir des unités d'amplitude peu adaptée à la pratique. Le BAAS et le Congrès international d'électricité, qui précéda la Commission électrotechnique internationale (IEC), approuvèrent, dans les années 1880, un système mutuellement cohérent d'unités pratiques. Parmi celles-ci figuraient l'ohm pour la résistance électrique, le volt pour la force électromotrice et l'ampère pour le courant électrique.
•    Le 20 mai 1875 : la signature de la Convention du Mètre (par 17 états). Le mètre et le kilogramme ont été choisis comme unités de base de la longueur et de la masse.
•      1889 : Validation des prototypes internationaux du mètre et du kilogramme par la 1^re CGPM. Avec la seconde des astronomes comme unité de temps, ces unités constituaient un système d'unités mécaniques similaire au système CGS, mais dont les unités de base étaient le mètre, le kilogramme et la seconde (système MKS).
•     En 1901, Giorgi montra qu'il était possible de combiner les unités mécaniques du système mètre–kilogramme–seconde au système pratique d'unités électriques pour former un seul système cohérent quadri-dimensionnel en ajoutant à ces trois unités de base une quatrième unité, de nature électrique, telle que l'ampère ou l'ohm, et en rationalisant les équations utilisées en électromagnétisme. La proposition de Giorgi ouvrit la voie à d'autres extensions.
•       En 1921 : la révision de la Convention du Mètre par la 6e CGPM, qui étendit les attributions et les responsabilités du Bureau international à d'autres domaines de la physique, et la création du Comité consultatif d'électricité (CCE, maintenant CCEM) par la 7e CGPM qui en a résulté en 1927. Après cette étape, la proposition de Giorgi fut discutée en détail par la CEI, l'Union international de physique pure et appliquée (IUPAP) et d'autres organisations internationales.
•    En 1939, Ces discussions conduisirent le CCE à proposer l'adoption d'un système quadri-dimensionnel fondé sur le mètre, le kilogramme, la seconde et l'ampère (système MKSA).
•       En 1946 : adoption du système MKSA par le Comité international.
•    En 1954, À la suite d'une enquête internationale effectuée à partir de 1948 par le Bureau international, la 10e CGPM approuva l'introduction de l'ampère, du kelvin et de la candela comme unités de base, respectivement pour le courant électrique, la température thermodynamique et l'intensité lumineuse.
•       En 1960 ; La 11^e CGPM donna le nom « Système international d'unités (SI) » à ce système.
•      En 1971 : Lors de la 14^e CGPM, la mole fut ajoutée au SI comme unité de base pour la quantité de matière, portant à sept au total le nombre d'unités de base du SI.
•      En novembre 2014, Lors de sa 25^e réunion, la CGPM a adopté une Résolution sur la révision à venir du Système international d'unités, le SI. Cette Résolution fait suite à la Résolution 1 adoptée par la CGPM en 2011 qui prenait acte de l'intention du CIPM de proposer une révision du SI et établissait une feuille de route détaillée pour la mise en œuvre des futurs changements. Dans le SI révisé, quatre des sept unités de base du SI – à savoir le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole – seront redéfinies en s'appuyant sur des constantes de la nature ; les nouvelles définitions seront établies à partir des valeurs numériques fixées de la constante de Planck (h), de la charge élémentaire (e), de la constante de Boltzmann (k) et de la constante d'Avogadro (N_A), respectivement. De plus, les définitions des sept unités de base du SI seront toutes exprimées de façon uniforme à l'aide d'une formulation dite « à constante explicite » et des mises en pratique spécifiques seront élaborées afin d'expliquer comment réaliser pratiquement la définition de chacune des unités de base.
•     La 26^e réunion, à Versailles, 13-16 novembre 2018, la CGPM adopte le Nouveau Système International d'unités et décide sa mise en application à compter du 20 mai 2019

2.5- A quoi sert le Système International SI ?

Avoir un système d’unités harmonisé est indispensable pour assurer la compatibilité des mesurages et des essais. L’expression d’un résultat doit toujours s’accompagner de l’unité utilisée, afin d’éviter des problèmes de compréhension (exemple, ci-dessous).

Exemple : Mars Orbiter

La sonde Mars Climate Orbiter était conçue pour analyser les variations du climat de Mars, le cycle du CO2 et des différents gaz atmosphériques. Mais le 23 septembre 1999, elle s’est écrasée lors de son entrée en orbite de Mars. L’enquête a démontré que certains instruments de guidage étaient programmés pour utiliser les mesures anglo-saxonnes, alors que les autres utilisaient le système international d’unités.

2.6- Grandeurs et unités de base

Les sept grandeurs de base correspondant aux sept unités de base sont la longueur, la masse, le temps, le courant électrique, la température thermodynamique, la quantité de matière, et l’intensité lumineuse.

Les grandeurs de base et les unités de base figurent, avec leur symbole, au tableau donné, ci-dessous.

Les symboles indiqués pour les grandeurs sont généralement de simples lettres de l’alphabet grec ou latin, en italique, et constituent des recommandations. L’utilisation des symboles indiqués pour les unités est obligatoire.

Les définitions officielles de toutes les unités de base du SI sont approuvées par la Conférence générale. La première de ces définitions fut approuvée en 1889 et la plus récente en 1983. Ces définitions sont modifiées de temps à autre pour suivre l’évolution des sciences.

Le SI est fondé sur un choix de sept unités de base bien définies et considérées par convention comme indépendantes du point de vue dimensionnel.

Tableau 1 Grandeurs de base et unités de base du SI

2.7- Unités SI dérivées

Les unités dérivées sont formées a partir de produits de puissances des unites de base. Les unités dérivées cohérentes sont des produits de puissances des unités de base qui ne font pas intervenir d’autre facteur numérique que 1. Les unités de base et les unités dérivées cohérentes du SI forment un ensemble cohérent, désigne sous le nom d’ensemble d’unités SI cohérentes.

2.7.1- Unités dérivées exprimées à partir des unités de base

Les grandeurs utilisées dans le domaine scientifique sont en nombre illimite ; il n’est donc pas possible de fournir une liste complète des grandeurs et unités dérivées. Le tableau suivant présente un certain nombre d’exemples de grandeurs dérivées, avec les unités dérivées cohérentes correspondantes exprimées directement en fonction des unités de base.

Tableau 2 Exemples de grandeurs dérivées et d’unités dérivées

 2.7.2- Unités ayant des noms spéciaux et des symboles particuliers ; unités faisant appel à des noms spéciaux et des symboles particuliers

Tableau 3 Unités SI dérivées ayant des noms spéciaux

Par souci de commodité, certaines unités dérivées cohérentes ont reçu un nom spécial et un symbole particulier. Elles sont au nombre de vingt-deux et sont mentionnées au tableau suivant. Ces noms spéciaux et ces symboles particuliers peuvent eux-mêmes être utilises avec les noms et les symboles d’autres unités de base ou dérivées pour exprimer les unités d’autres grandeurs dérivées.

2.8- Unités en dehors du SI dont l’usage est accepté avec le SI

Tableau 4 Quelques unités en dehors du SI

2.9- Multiples et sous-multiples décimaux des unités SI

Une série de préfixes, à utiliser avec les unités SI, ont été adoptés pour exprimer les valeurs des grandeurs beaucoup plus grandes ou plus petites que l’unité SI elle-même. Les préfixes SI figurent au tableau 7. Ils peuvent être utilisés avec toutes les unités de base et les unités dérivées ayant des noms spéciaux.

Tableau 5 Préfixes SI

2.10- Le Nouveau Système d'unités SI

Lors de sa 25^e réunion (novembre 2014), la CGPM a adopté une Résolution sur la révision à venir du Système international d'unités, le SI. Cette Résolution fait suite à la Résolution 1 adoptée par la CGPM en 2011 qui prenait acte de l'intention du CIPM de proposer une révision du SI et établissait une feuille de route détaillée pour la mise en œuvre des futurs changements.

Dans le SI révisé, quatre des sept unités de base du SI – à savoir le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole – seront redéfinies en s'appuyant sur des constantes de la nature ; les nouvelles définitions seront établies à partir des valeurs numériques fixées de la constante de Planck (h), de la charge élémentaire (e), de la constante de Boltzmann (k) et de la constante d'Avogadro (N_A), respectivement. De plus, les définitions des sept unités de base du SI seront toutes exprimées de façon uniforme à l'aide d'une formulation dite « à constante explicite » et des mises en pratique spécifiques seront élaborées afin d'expliquer comment réaliser pratiquement la définition de chacune des unités de base.

Lors de de 26^e réunion, à Versailles, 13-16 novembre 2018, la CGPM a décidé qu’à compter du 20 mai 2019, les nouvelles définitions d’unités de base du Nouveau SI sont décrites ci-dessous :

− La seconde, symbole s, est l’unité de temps du SI. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixée de la fréquence du césium, Δν_Cs, la fréquence de la transition hyperfine de l’état fondamental de l’atome de césium 133 non perturbé, égale à 9 192 631 770 lorsqu’elle est exprimée en Hz, unité égale à s–1.

− Le mètre, symbole m, est l’unité de longueur du SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixée de la vitesse de la lumière dans le vide, c, égale à 299 792 458 lorsqu’elle est exprimée en m/s, la seconde étant définie en fonction de Δν_Cs.

− Le kilogramme, symbole kg, est l’unité de masse du SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixée de la constante de Planck, h, égale à 6,626 070 15 × 10^(-34) lorsqu’elle est exprimée en J s, unité égale à kg m^2 s^(–1), le mètre et la seconde étant définis en fonction de c et Δν_Cs.

− L’ampère, symbole A, est l’unité de courant électrique du SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixée de la charge élémentaire, e, égale à 1,602 176 634 × 10^(–19) lorsqu’elle est exprimée en C, unité égale à A s, la seconde étant définie en fonction de Δν_Cs.

− Le kelvin, symbole K, est l’unité de température thermodynamique du SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixée de la constante de Boltzmann, k, égale à 1,380 649 × 10^(– 23) lorsqu’elle est exprimée en J K–1, unité égale à kg m^2 s^(–2) K^(–1), le kilogramme, le mètre et la seconde étant définis en fonction de h, c et Δν_Cs.

− La mole, symbole mol, est l’unité de quantité de matière du SI. Une mole contient exactement 6,022 140 76 × 10^23 entités élémentaires. Ce nombre, appelé « nombre d’Avogadro », correspond à la valeur numérique fixée de la constante d’Avogadro, NA, lorsqu’elle est exprimée en mol^(–1).

La quantité de matière, symbole n, d’un système est une représentation du nombre d’entités élémentaires spécifiées. Une entité élémentaire peut être un atome, une molécule, un ion, un électron, ou toute autre particule ou groupement spécifié de particules.

− La candela, symbole cd, est l’unité du SI d’intensité lumineuse dans une direction donnée. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixée de l’efficacité lumineuse d’un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 10^12 Hz, Kcd, égale à 683 lorsqu’elle est exprimée en lm W^(–1), unité égale à cd sr W^(–1), ou cd sr kg^(–1) m^(–2) s^3, le kilogramme, le mètre et la seconde étant définis en fonction de h, c et Δν_Cs.