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Coordination des unités mécaniques et électriques en un
système “ pratique ” international : formules classiques
ou rationalisées ?
P. Fleury
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
-
LE
RADIUM
zCOORDINATION DES
UNITÉS
MÉCANIQUES
ETÉLECTRIQUES
EN UN
SYSTÈME
«PRATIQUE
» INTERNATIONAL : FORMULESCLASSIQUES
OURATIONALISÉES?
(1)
Par P. FLEURY. Conservatoire National des Arts et Métiers.
Sommaire. 2014
Rappel des caractères du système Giorgi (mètre, kilogramme-masse, seconde,
unités
électriques pratiques) préconisé comme système international. Désignation usuelle des unités dérivées.
Terminologie restant à fixer (Newton, constantes diélectriques et perméabilités magnétiques absolues et relatives).
Comparaison des principales formules « classiques » et « rationalisées » en électricité et magnétisme.
Nécessité d’un accord général.
SÉRIE YIII. - TOME IX.
1
N° 2. FÉVRIER 1948.
1. Nos unités
mécaniques métriques
se rattachent àquatre
systèmes
cohérentsdifférents,
nos unitésmagnétiques
etélectriques
à troissystèmes
(et je
ne
parle
pas des unitésanglo-saxonnes).
Cette abon-dance de bienspeut
paraître
nuisible : commentsimplifier ?
Votre avis à cesujet
est demandé,comme celui des
physiciens
des autres pays.On soutient
parfois
cetteopinion
que les «change-ments d’unités »
offrent
l’occasion d’exercices deraisonnement... et
d’arithmétique
dont il seraitfâcheux de se
priver;
mais il estpermis
de penserqu’on
éviterait despertes
detemps
inutiles(et
desrisques d’erreur)
parl’adoption
d’unsystème
cohérentunique,
comme parcelle,
malheureusementplus
difficile,
d’unelangue
internationale commune.Le
sujet
a faitl’objet
déjà
de bien desdébats;
sije
mepermets d’y
revenir(en
m’efforçant
d’être trèsbref),
c’est,
toutd’abord,
parce que notre Société dePhysique
s’en est moinsoccupée,
je
crois,
que celle desÉlectriciens,
parexemple,
bienqu’ici
même aient trouvé
place
dl’in.téressa~tescontro-verses entre
Langevin,
Abraham,
M.BryJinski,
et d’autres...
[14].
C’est, surtout; parce que, peu à peu, desorganismes
très divers[2,
3,
7, 13,17],
(l) Exposé fait t à la Société française de Physique, le g décembre gâ 7.
Les numéros entre crochets renvoient à la bibliographie, à la fin de l’article.
au
premier
rangdesquels
le Comité internationaldes Poids et Mesures
[6],
et tout récemment, repre-nant une étude ancienne[10],
la Commission desUnités de 1 ’lT nion internationale de
Physique,
se sont orientés vers une solutionqui
semblepouvoir
conduire à un accord
général.
2. Notons bien que
l’adoption
d’unsystème
commun d’unités pour
l’usage
international n’inter-dirait pasl’emploi
d’autres unitésjugées plus
avantageuses
pour traiter certainssujets spéciaux
(en
physique
théorique,
parexemple),
ou dontl’usage
dans tel ou tel pays esttrop
répandu
pourque leur abandon
puisse
êtreenvisagé....
Il serait seulementprévu
que, dans lespublications
scienti-fiques
ettechniques,
voirecommerciales,
utilisant un autresystème,
les valeurs en unités internationalesdes
grandeurs
considérées devraient êtreégalement
indiquées.
On
peut
sedemander, d’ailleurs,
en cequi
concernela
France,
si,
unef ois
l’accord internationalacquis,
le
système
dont nous allonsparler
nepourrait
pas être substitué avecavantage
à notresystème
légal
actuel
(1~~.
T.S.).
,3. En
1935,
la Commissionélectrotechnique
inter-nationale(C.
E.I.)
aadopté
lesystème
d’unitésmécaniques
dérivées dumètre,
dukilogramme-LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIC3i. - SÉRIE VIII. - T. IX. - N° 2. - FÉVRIER 1948.
34
masse et de la
seconde,
commepermettant
unrattachement cohérent avec les unités
électriques
pratiques (coulomb,
ampère,
volt,
etc.).
La C. E. I.convenait par suite
(en
accord avec une décisionantérieure)
de considérer l’induction B et lechamp
magnétique
H comme desgrandeurs
différentes . leurrapport
:.Ls’exprime
en unitésdéterminées,
et n’est pas un nombre pur
(2).
Elle confirmait enmême
temps
l’adoption
du nom de weberpour
l’unitépratique
de flux d’inductionmagnétique,
et celledes noms de herz et siemens pour les unités
pratiques
de
fréquence
et de conductance.Les discussions
qui
ont abouti à ces décisionsont été résumées dans un
important
article deA. E.
Kennelly,
traduit et commenté par M.Bry-linski
[13];
une étudecritique
très détaillée vient aussi d’être faite par M. Grivet[ ~ 1 J.
Bornons-nous à
rappeler
que lesystème
adopté
est, dans son
ensemble,
celuiqu’avait proposé
dès 1 go l,Giorgi [9].
Depuis longtemps,
on se rendaitcompte qu’il
étaitnécessaire,
une foisadoptées
lesunités
électriques pratiques,
de les rattacher à unsystème
mécanique,
pourpouvoir
utilisercommo-dément les formules où interviennent des
forces,
par
exemple.
Le choix de laseconde,
del’ampère
et du
volt,
entraînant celui dujoule,
exclutévidem-ment le
système
inch-pound,
ainsi que celui dukilogramme-force;
il exclut aussi lessystèmes
C. G. S.et M. T.
S.,
qui
ontrespectivement
pour unitésde travail
l’erg
et lekilojoule.
Mais il estcompatible
avecl’emploi
dusystème
mètre,
kilogramme-masse,
seconde,
qu’on
est ainsiconduit
à recommanderpour
l’usage
courant.4. L’examen de ce
système
appelle
quelques
remarques.
Les masses
spécifiques s’expriment,
enkilogrammes
par mètre
cube,
par des nombres 1000 foisplus
grands
que les densités parrapport
àl’eau,
cequi
paraît
à certains uninconvénient
(3),
mais facilitela
discrimination
nécessaire entre ces deuxgrandeurs.
L’unité de
f orce (qui,
appliquée
à une massede i
kg
luicommunique
une accélération de i m :s2)
pourrait
êtreappelée
jbule
parmètre,
mais ilsemble presque
indispensable
de lui donner un nomparticulier.
Celui de newton(abréviation N)
est
déjà
trèsgénéralement
utilisé,
en Franceet dans certains pays
étrangers :
une décisionofficielle est souhaitable. La valeur du newton est
105 dynes
-. 1 millisthène = o2g-force.
Le nom de
pascal,
qui
a étéproposé
àl’A. F. N. 0. R.
[2],
pour l’unité depression,
estjusqu’ici
peuemployé.
Cetteunité,
le newton parmètre
carré,
vaut 10baryes,
ou imillipièze;
sapetitesse
sera souventgênante.
L’hectopièze
(méga-barye),
dont la valeur(intermédiaire
entrel’atmo-sphère
et lekilogramme-force
par centimètrecarré),
est bienadaptée
à la mesure des moyennes et fortespressions,
s’appellerait
dans lesystème
Giorgi
hectokilonewton par mètre carré. On
peut
songerà lui donner un nom
plus
commode(celui
de barest
déjà
enusage),
mais lesystème
cessera alorsd’être
parfaitement
cohérent....5. Passons aux unités
électriques
etmagnétiques.
Aux trois unités
mécaniques
fondamentales,
il suffit d’en associer unequatrième
de natureélec-trique
pour que, leséquations
de définition usuellesétant conservées, toutes les autres unités en
découlent.
Laquelle
choisir :ohm,
coulomb,
ampère
ou encore unité de
perméabilité ?
On en abeaucoup
discuté
[6,
11,13j;
cela n’aqu’un
intérêtthéo-rique (4).
Adoptons,
pour fixer lesidées,
l’ampère,
qui
a sur l’ohml’avantage
de conduire à deséquations
de dimensions
s’exprimant
enpuissances
entières.On
peut,
sans passer par l’intermédiaire desunités
C. G. S. E.
M.,
le définir comme « le courant constantqui,
maintenu dans deux conducteursparallèles
rectilignes
delongueur
infinie,
placés
à une distance de i m l’un de l’autre dans levide,
produit
entre ces conducteurs une forceégale
à ~ . r o-’ newton parmètre de
longueur
». On en déduit immédiatementles définitions bien connues du volt et de
l’ohm,
duweber et du
coulomb,
duhenry
et du farad. De cessept
noms, onpeut
faire dériver ceux desautres
unités,
commel’indique
le Tableau 1(colonne 2);
ils sont faciles à retenir si l’on penseaux relations
rappelées
dans la colonne4;
lesrapports
avec les unités C. G. S.
(colonne
3)
seretrouvent
aussi aisément. Par
exemple,
la formule de Biotet Savart montre que H
s’exprime
enampères
par
mètre,
unitéqui
vaut 0-1 X I 0-2 C. G. S. E. M.(0153rsted),
etc.(Nous
avons, comme l’aproposé
Guggenheim
[12]
utilisé le nom defranklin
pourl’unité C. G. S. E. S. de
charge
électrique.)
Remarquons
ici que, de mêmequ’on
exprime
les intensités lumineuses en
bougies
et les flux lumineux enbougies
x stéradians(appelés
lumens),
de même on devrait évaluer les flux dedéplacement
en coulombs Xstéradians;
etinversement,
conservantle weber pour unité de flux
d’induction,
mesurer(2) On sait que la thèse contraire a trouvé naguère des
défenseurs convaincus [1].
(3) C’est le souci de conserver à la masse spécifique de l’eau la valeur numérique qui a conduit à choisir la tonne comme
unités de masse du svstème lui. T. S.
(4 ) Giorgi introduisait comme « quatrième unité
fonda-mentale » l’ohm (international). Depuis lors, la Commission
internationale des Poids et Mesures, en adoptant les unités
électriques pratiques « absolues », a considéré que la liaison
entre les unités mécaniques et électriques peut être réalisée soit en attribuant à la perméabilité magnétique du vide
(non rationalisée) la valeur 10-7 (Henry par mètre) soit, d’une manière équivalente, en partant de la définition de
TABLEAU I. -
Principales
unitésélectriques
etmagnétiques (f pratiq~2ces
».les masses
magnétiques
enwebers : stéradian,
etc.Nous y reviendrons
plus
loin.6. Insistons sur un
point
essentiel : la constantediélectrique
du vide 80, et saperméabilité
magné-tique
I-t,,qui
valaientrespectivement
i(fran-klin2 par
dynes-cm2)
dans lesystème
C. G. S. E. S.et i
(gauss
par oersted)
dans lesystème
C. G. S.E.1~~.,
valent dans le
système
pratique
£
F : m 9. I° et 10-’ H : m. Ellessatisfont,
comme onsait,
à lacondition z, fJ-o c2 = 1 , c étant la vitesse de la lumière
dans le vide
(5).
Ces valeurs
doivent
être retenues par coeur, c’est la rançon de notreunification,
avec la nécessitéd’expliciter
¿ 0 et li-0 dans un certain nombre de formules relatives au vide.Il sera naturellement nécessaire de
distinguer,
comme cela a été admis par la C. E.I.,
laperméabilité
magnétique absolue
d’un milieu et saperméabilité
relatives
(par rapport
auvide)
li,,== ~.
· On considéreraf-lo
de même sa constante
diélectrique
relative Er ==f ;
.o
03BCr et Sr sont des nombres purs, ce sont eux que
donnent les tables de constantes
(6).
Le Tableau I met en évidence entre la
dérivation
des
grandeurs
électriques
et celle desgrandeurs
magnétiques
unecorrespondance
remarquable.
Nousn’y
avons faitapparaître
qu’à
titre accessoire lagrandeur
« massemagnétique
»qui prête,
commel’on
sait,
à lacritique [1,
ira’].
Nous avons d’autrepart,
conservé au « momentmagnétique
» sadéfi-nition habituelle et non celle
qui l’égalise
auquotient
, (6) Des notations différentes sont encore utilisées : voir
notamment BRUHAT, Courts
d’Électricité,
3e édition etGUG-GE:~’i~EIIT [12 bis]. Un accord général est désirable.
36
TABLEAU Il. -
Définition
etjorrnules
«classiques 1)
et « rationalisées ».du
couple mécanique
maximum par l’induction(au
lieu duchamp)
[ I 6, ~ 8~.
7.
Enfin,
dans la colonne 1 du TableauI,
nous avonsindiqué (en
lesmarquant
d’uneétoile)
cellesdes
grandeurs
pourlesquelles
une rationalisation a étéproposée. Que
faut-il entendre par là ? Tentonsde
l’expliquer rapidement,
pour ceux àqui
cesquestions
ne seraient pas familières. « Rationaliser »,c’est,
peut-on
dire,
choisir des conventionssimplifiant
le mieux
possible
les formules lesplus
usuelles;
malheureusement,
le choix de ces dernières n’estpas
exempt
d’arbitraire,
ni,
parsuite,
celui de la meilleure rationalisation....Les formules sont, ne l’oublions pas, des relations
entre les valeurs
numériques
desgrandeurs
dont ons’occupe.
Onpeut,
poursimplifier
telle ou telleformule,
faire varier ces valeursnumériques
enmodifiant les unités
correspondantes.
Ainsi larelation entre un
angle
au centre cx et l’arc aqu’il
découpe
sur un cercle de rayon r, s’écrit(a
et rétant mesurés avec la méme
unité) : a = §
a
ou
a
Mais la
période
T d’un mouvement circulaireuniforme, de vitesse
angulaire
ùj, s’écrit : 7’ _ -ou bienT =
suivantqu’on exprime
oo en radianspar seconde ou en tours par seconde. Des deux
unités,
radian et tour, c’est donc l’une ou l’autre
qui,
suivant le cas,
apparaît
laplus
rationnelle....Le Tableau II
indique
lesprincipales
modifi-cations de définitions et de formules intervenant
en électricité
et
magnétisme,
quand
onapplique
la rationalisation laplus
répandue. (D’autres
sontpossibles,
et ont été aussipréconisées
[4, 8]).
Cette rationalisation tend àsimplifier,
parsuppression
d’unfacteur 4
-7~,l’expression
du théorème deGauss,
et par
suite,
celle de lacapacité
d’un condensateurplan,
celles duchamp
dans unsolénoïde,
de ladensité
d’énergie
dans unchamp,
etc. Mais le même facteur vient alorscompliquer
d’autres relations : celles deCoulomb,
qui
bienqu’on
ne doive lesemployer
que sous certaines réserves[ ~,
I I,1 ~],
ont encore leurintérêt,
celle de Biot etSavart,
celles
qui
donnent lacapacité
d’un condensateursphérique
ou lechamp
d’un conducteurrectiligne
indéfini....
Nous pensons, avec
Guggenheim [12 bis],
etcontrairement à ce que l’on dit
habituellement,
que la rationalisation ainsiprésentée
neporte
pas surles unités,. Celles-ci
(dans
unsystème
basé sur des. unités fondamentales
déterminées)
conservent leurnom :
qu’on
rationalise ou non, leschamps
magné-tiques,
parexemple, s’expriment
enampères
par
mètre,
non en« 4
^ A : m o; lessuscepti-1 et 1’ = -
I
s’expriment
en bilitész
=4
e x == - 1 / S expriment en unitésarithmétiques,
non en « inverses de »....Si l’on attribue à la constante
diélectrique
du vide la valeur rationalisée :8,
85,
10-12 F : m, au lieude la valeur non rationalisée fois
plus grande,
on
parle
évidemment de deuxgrandeurs
propor-tionnelles,
mais pas de la même ! Lechangement
de valeurs
numériques
nécessaire pour modifierles formules n’est ici
possible
que par unchangement
des
grandeurs
correspondantes;
il n’est pasconve-nable de leur conserver le même nom. C’est
pourtant
ce
qu’on
fait leplus
souvent ! 1(1).
8. La
rationalisation,
préconisée
dès 1822 parHeaviside,
etappliquée
par Lorentz ausystème
C. G. S. « mixte » de
Gauss,
a étéadoptée
avant
etpendant
la guerre, pour lesystème Giorgi,
par unassez
grand
nombre d’électriciensétrangers,
princi-palement
enAllemagne
et en Italie.D’autres,
et (1) Toutefois, Bruhat distingue dans son Coursd’Électricité,
l’ ~ induction électrostatique », qu’il représentepar B, et le
« déplacement
électrique »
D =4,dont
l’introduction lui 4permet une rationalisation partielle.
notamment la
grande
majorité
des électriciensfran-çais,
lui restentopposés.
Tout récemment encore, le Professeur roumain
Budeanu
[5]
l’acritiquée
vigoureusement.
Elle est,juge-t-il,
sansavantage réel,
carquand
onpart
desmêmes données
(intensités,
potentiels, épaisseurs,
surfaces,nombres
detours)
pour chercher les mêmesinconnues,
telles que fluxmagnétiques,
forces,
énergies...,
on est conduit aux mêmescalculs,
que l’on rationalise ou non certaines
grandeurs
intermédiaires. Et la
suppression
du facteur4
zdans des formules où il ne
représente qu’une
valeurparticulière
d’unangle
solide n’est pas sansincon-vénients,
aupoint
de vuedidactique....
Il est vrai que si l’on rationalisait aussi l’unité
d’angle
solide,
cette dernière remarqueperdrait
de savaleur,
comme lesignale
M.Grivet,
partisan
de la rationalisation
[II].
Il n’estpeut-être
pas inutile dedévelopper
cette idée.Reprenons
le casdes unités
lumineuses;
l’éclairement~==-~
se mesure en lu :m2,
mais la formule E== J
conduiraitX2
à l’évaluer en
b
alorsqu’il
serait correct de direb. st
m 2 "
Explicitons
de même l’unitéd’angle
solide,
dansnos définitions et formules
électriques
etmagné-tiques :
nous verrons que, dansbeaucoup
de cas, larationalisation résulte du
remplacement
du stéradianpar
l’angle
solidecorrespondant
à toutl’espace, qui
n’a pas de nom, et que
j’appellerai,
faute de mieux« splière ».
Ainsi,
ledéplacement
électrique
s’exprime,
soit en C. st : m2
(valeur
D),
soit en C. «sph
» : m2(valeur D’);
la forcemagnétomotrice
soit en A. st(valeur 5),
soit en A. «sph
»(valeur ~’),
etc. Etpuisque
la rationalisation affecte alorsl’unité,
ellene modifie
plus
lagrandeur !
Faut-il souhaiter que se
généralise l’emploi
deces unités
explicites,
maiscompliqués ?
Non sans doute. Il ne léverait d’ailleurs pas toutes les diffi-cultés :pourrait-on
dire que lasusceptibilité
magné-tique s’exprime
en inverses de stéradian(valeur
xci-dessus)
ou en inverses de «sphère
»(x’
Et ferait-on intervenir
l’angle
solide dans la formulede Coulomb ?
9. La C. E.
I.,
où lesopinions
pour et contre se sont manifestées avecénergie,
a renoncéjusqu’ici
àrecommander,
soit les formules ditesrationalisées,
soit celles
qu’on peut
appeler
«classiques
~>. Maisl’emploi
simultané des unes et des autresapparaît
bien fâcheux : sur ce
point
encore, il estindispen-sable de s’entendre.
Quand,
dans les diversgroupements
interna-tionaux,
scientifiques
ettechniques, l’opinion
d’unemajorité
despécialistes quali fiés, physiciens,
méca-niciens,
électriciens,
se sera clairementmanifestée,
38
aux
opposants
de sacrifier leurspréférences
person-nelles : un accord international ne s’obtient pas sans
concessions....
Un tel accord
risque
sans doute de se faire attendre,en ce
qui
concerne lesquestions
derationalisation;
on
peut
tout au moinsespérer
l’obtenir bientôtsur le «
système pratique
international » dont nousavons
rappelé
les caractères essentiels.Manuscrit reçu le 17 février 19ft 8.
BIBl:IOGRAPHIE. [1] H. ABRAHAM, Ce que pourraient être les définitions des
grandeurs magnétiques, Bull. Soc. Franç.
Élect.,
1935, 5, p. 1233 à 1246.[2] ASSOCIATION FRANÇAISE DE NORMALISATION, Commission
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employés en mécanique, Document X 02-18, octobre 1946.
Rapport sur les réponses reçues à la suite de l’enquête
publique sur les unités mécaniques, Document X 02-35, septembre 1947.
[3] ASSOCIATION SUISSE DES ÉLECTRICIENS ET COMITÉ ÉLECTROTECHNIQUE SUISSE, Règles pour les symboles
littéraux et signes, Bull. Assoc. suisse
Élect.,
1947, 38, p. 519 à 542.[4] L. BOUTHILLIER, Sur quelques aspects de la rationali-sation des équations de l’électricité, Bull. Soc. Franç.
Élect.,
1936, 6, p. 1175 à 1195.[5] C. BUDEANU, Sur la rationalisation des unités et des formules électromagnétiques, Bull. Soc. Franç.
Élect.,
1947, 7, p. 563 à 572.
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Camp-bell, Emde, Bennett, Wallot, Sommerfeld, p. 301 à 360.
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d’unités pratiques géométriques et mécaniques, Normes V-1221 à V-1224, février 1947.
[8] G. DARRIEUS, Note sur les relations entre les unités
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Élect.,
1936, 6, p. 959 à 971.[9] G. GIORGI, Unita Razionali di Elettromagnetism., Atti del A. E. I., 1901; Proposals concerning electrical and physical units, Proc. Int. El. Cong. Saint-Louis, 1904, 1, p. 136 à 141; La métrologie électrique
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gén. Élect.,
1936, 40, p. 459 à 463.Voir aussi [6].
[10] Sir Richard GLAZEBROOK, A note on the activities of the Committee for Symbols, Units and Nomenclature of the International Union of pure and applied Physics Bull. Res. Counc., Chicago 1933, n° 93, p. 4-7. Voir aussi [6].
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Élect.,
1947, 7, p. 594 à 628 (16 référencesbibliographiques).
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[12 bis] E. A. GUGGENHEIM, Units and Dimensions, Phil.
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Bull. Soc. Franç.
Élect.,
1936,6, p. 47 à 80. Voir aussi [6][14] P. LANGEVIN, Sur la nature des grandeurs et le choix d’un système d’unités électriques, Bull. Soc. Franç.
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[18] J. WALLOT, Zur définition der Grôszen der
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