Les instruments de mesure du temps

Travaux Personnels Encadrés des première S (2008-2009)
Les instruments de
mesure du temps
Encadrement: VEROT Emmanuel (Mathématiques) et ALARD Christian (Physique)
Introduction:
Quels sont les moyens utilisés par l'Homme au cours de son histoire pour mesurer le temps?
Quels sont les principaux instruments inventés à cette fin?
Afin de répondre à ces questions, nous allons étudier onze instruments créés dans ce but au cours
des siècles, la limite d'un instrument amenant la création d'un autre, forçant les hommes à redoubler
d'inventivité pour en améliorer la précision en se servant des phénomènes physiques mis à leurs
dispositions. Nous détaillerons également quelques questions techniques que nous nous sommes
posées quant à l'utilisation, la confection, ou les propriétés de ces instruments de mesure.
Sommaire:
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Instruments basés sur le mouvement des planètes:
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Le gnomon
--------------------------------------------------
p1
○
Le cadran solaire
--------------------------------------------------
p2
○
L'astrolabe
--------------------------------------------------
p3
Instruments basés sur l'écoulement:
○
La clepsydre
--------------------------------------------------
p5
○
L'horloge à eau
--------------------------------------------------
p7
○
Le sablier
--------------------------------------------------
p8
Instruments basés sur la combustion:
○
La bougie graduée
--------------------------------------------------
○
L'horloge de Candil --------------------------------------------------
p9
p 10
Instruments basés sur un phénomène périodique:
○
L'horloge à foliot
--------------------------------------------------
p 11
○
La montre à quartz
--------------------------------------------------
p 12
○
L'horloge atomique --------------------------------------------------
p 13
Le gnomon :
Historique: Connu depuis l'antiquité, le gnomon peut être considéré
comme le premier instrument de mesure du temps, l'homme debout peut
d'ailleurs lui-même s'apparenter à un gnomon.
Principe: Le gnomon est l'ancêtre du cadran solaire. Il consiste en un
baton planté droit dans le sol dont la longueur et la direction de l'ombre
vont nous donner une approximation de l'heure de jour. Ainsi, lorsque le
soleil est au zénith, l'ombre sera très petite, il sera aux alentours de midi.
Avantages: Le gnomon est très facile à mettre en oeuvre, un bout de
bois dont la hauteur est connue planté dans le sol, un peu de soleil, et
bien sûr de l'observation suffisent pour se faire une idée de l'heure dans la journée.
Inconvénients: Cette méthode de mesure du temps est peu précise, elle permet seulement de se
situer dans une journée. Elle a également un gros inconvénient... Il faut qu'il fasse jour et que le
temps soit clair!
Petite question technique: Quelle heure est-t-il lorsque qu'une personne située à l'équateur voit la
longueur de son ombre égale à sa propre taille?
Réponse: A l'équateur, le soleil décrit un demi-cercle au dessus de l'observateur, passant juste au
dessus de sa tête à midi. En considérant que le soleil se situe à l'infini, les rayons de ce dernier
arrivent parallèles sur la Terre. Si la longueur de l'ombre de l'observateur égale sa propre taille on
obtient schématiquement ceci:
La taille de la personne est notée T , la longueur de l'ombre L et l'angle que fait le soleil avec la
verticale  . Vu que L =T , on a alors tan  =
L
=1 et donc  = 45° .
T
Il y a ensuite deux cas de figure:
-Si la longueur de l'ombre ensuite diminue, c'est que le soleil est en train de se lever, il est « 1 quart
de jour, c'est à dire 9h en heure solaire!
-Si la longueur de l'ombre ensuite s'agrandit, c'est que le soleil est en train de se coucher, il est « 3
quarts de jour, c'est à dire 15h en heure solaire!
1
Le cadran solaire
Historique: Le premier cadran solaire connu est égyptien et date
de 1500 avant Jésus-Christ mais il est probable que son
invention remonte à des temps plus anciens.
Principe: C'est avec le cadran solaire que l'on voit apparaître la
division du temps telle qu'on la connait aujourd'hui. L'heure
étant déterminée là aussi de jour grâce aux mouvements de la
Terre par rapport au soleil, les cadrans solaires sont dotés de
douze graduations séparée chacune de 15°, le 0 correspondant à
midi. L'objet produisant l'ombre est une tige métallique appelée
style qui, contrairement au gnomon, est positionnée parallèle au
sol.
Avantages: La graduation en 12ème permet une plus grande précision de l'heure. Les matériaux
utilisés pour la fabrication d'un cadran solaire restent rudimentaires.
Inconvénients: Le cadran doit être orienté selon le méridien local, plein sud, ce qui pose un
problème puisqu'il est en général tributaire de l'orientation du mur sur lequel ils est disposé. Il
faudra alors jouer sur l'inclinaison latérale du style pour qu'il épouse le bon méridien. De plus la
durée des journées étant variable tout au long de l'année suivant où l'on se trouve (présence
d'équinoxes et de solstices), les heures seront plus ou moins longues entraînant un décalage de
l'heure suivant le moment de la lecture.
Tout comme le gnomon, ce type d'instrument nécessite qu'il fasse jour et que le temps soit clair.
Petite question technique: Pourquoi les cadrans solaires que l'on trouve en France voient leur style
très incliné vers le bas?
Réponse: L'axe de rotation de la Terre n'est pas perpendiculaire à sa trajectoire elliptique autour du
soleil, ce qui a pour conséquence de faire varier la durée des jours et des nuits tout au long de
l'année. Ainsi, pour que l'angle de l'ombre du style soit indépendant de la saison, il faut que ce
dernier soit perpendiculaire à l'axe de rotation de la Terre, c'est à dire parallèle à l'équateur. La
France se situant à une latitude moyenne de 45° on obtient le schéma suivant pour que ces
conditions soient remplies:
Ramené à notre référentiel d'observateur terrestre, pour que le cadran solaire soit efficace, il faudra
donc que le style soit incliné de 45° vers le bas par rapport à l'horizon (ou de 45° vers le haut par
rapport à la verticale). C'est dans ces conditions que l'ombre du style décrira un demi arc de cercle
tout au long de l'année.
2
L'astrolabe:
Historique: On attribue l'invention de l'astrolabe au Grec
Hipparque qui est considéré comme le plus grand astronome de
l'antiquité. L'apparition de cet instrument remonte donc à 150 ans
avant Jésus-Chris.
Principe: L'astrolabe est un instrument de mesure complexe
composé de « la mère », dont le limbe est gradué de face en heure et
de dos en degré. Sur la face de « la mère » est fixé « le tympan » sur
lequel sont gravés les cercles d'altitudes par projection
stéréographique (cette projection dépendra de la latitude à laquelle
se trouve l'observateur). Une pièce mobile, appelée « l'araignée »,
qui représente les corps celestes les plus brillants d'un point de vu
géocentrique par projection stéréographique, recouvre le tympan.
Enfin une pièce mobile autour de l'axe de l'astrolabe, nommée « l'alidade », permet d'effectuer les
visées. Il suffit donc de tenir l'astrolabe à la verticale est de mesurer l'angle entre un corps celeste (le
soleil ou une autre étoile) et l'horizon, puis de régler l'araignée pour que le corps celeste
corresponde avec l'angle observé et enfin lire l'heure sur le limbe de l'astrolabe.
Avantages: Contrairement aux cadrans solaires, l'astrolabe peut donner l'heure même la nuit, même
si ce n'est pas sa vocation première, à condition bien sûr de l'éclairer.
Inconvénients: Tout comme les autres instruments basés sur le mouvement des planètes, il ne peut
être utilisé que par temps clair. De plus, l'astrolabe est un instrument complexe à réaliser,
nécessitant une double projection plane sur une de ses faces. Il est surtout utilisé pour des mesures
astronomiques (prévision de phénomène, orientation) qui dépassent l'objet de ce TPE.
3
Petite question technique: Comment effectue-t-on la projection stéréographique des cercles
d'altitudes (parallèles) de la Terre sur le tympan lorsqu'on se trouve au pôle Sud? Quel est l'intérêt
d'une telle projection?
Réponse: La projection stéréographique est une méthode permettant de représenter une sphère
privée d'un point sur un plan. Dans le cas de la Terre, on convient que l'observateur se positionne au
pôle Sud et que la projection se fait sur le plan équatorial, on procède alors comme sur le schéma
suivant:
L'intérêt est que la projection stéréographique conserve les angles et autorisera donc leurs mesures.
Une telle projection fait de l'astrolabe un instrument plus facilement transportable. L'inconvénient
est que la projection dépendra de la latitude d'observation, et donc correspondra à des tympans aux
dessins différents suivant le lieu où est situé l'observateur.
4
La clepsydre
Historique: D'origine égyptienne, la plus vielle clepsydre connue date de 1400
ans avant Jésus-Christ. Les gardes égyptiens s'en servaient la nuit pour se
relayer. Les grecs, eux, l'utilisaient surtout pour déterminer le temps de parole
des orateurs.
Principe: Une clepsydre consiste en un récipient, gradué à l'intérieur et percé
en son fond, sous lequel est placé un autre récipient. Rempli d'eau, le premier
récipient va alors laisser son contenu s'écouler en laissant apparaître les
fameuses graduations permettant de mesurer des intervalles de temps. La
pression exercée par la colonne d'eau au niveau de l'orifice variant en fonction
de la hauteur d'eau, le débit va donc varier au cours de l'écoulement. Ainsi, afin de pouvoir établir
des graduations équidistantes, on a construit les clepsydres plus évasée vers le haut que vers le bas.
Avantage: Cet instrument a le gros avantage de pouvoir être utilisé la nuit. Il est le parfait
complément du cadran solaire.
Inconvénients: La clepsydre ne peut être utilisée que pour des températures supérieures à 0°C
(sinon bien sûr l'écoulement est impossible). De plus la température influence la viscosité des
liquides et donc la vitesse d'écoulement. Enfin, sa forme approximative et son principe de
fonctionnement en font un instrument encore peu précis qui sert plus de chronomètre que d'horloge
à proprement parler.
Petite question technique: Quel doit être la forme exact d'une clepsydre pour que les variations de
hauteur d'eau soient constantes au cours du temps?
Réponse: Considérons une clepsydre dont la section est fonction de sa hauteur et sera noté S h
est qui possède un orifice d'écoulement noté s .
Si l'on néglige les pertes d'énergie induites par les frottements, toute l'énergie potentielle de l'eau est
convertie en énergie cinétique à la sortie de la clepsydre. La vitesse d'écoulement dépendra donc de
la hauteur d'eau, on a alors:
1
2
m v t=m gh t
2
{
m: masse d'eau écoulée enKg
v  t  : vitesse d'écoulement du liquide en fonction du temps en m.s−1
−1
g: intensité de la pesanteur en N.Kg
h: hauteur de l'eau en fonction du temps dans la clepsydre en m

d'où: v t = 2 gh t  (1)
De plus le débit Q t  est donné en fonction de h par la relation:
Q t =−S h
dh
= s v t  (2)
dt
En combinant la relation (1) et (2) on obtient:
−Sh
dh
=s 2 gh t
dt

5
Or on veut que la hauteur d'eau varie proportionnellement au temps écoulé, on a donc
dh
=−K où K est une constante représentant la vitesse de diminution de la hauteur d'eau.
dt
Notre relation devient:

Sh K=s 2gh t
Sh=
⇒
s
2gh t
K

Or la section de la clepsydre à chaque instant est un disque dont le rayon R dépend de la hauteur, on
a donc:
s
2
Rh=
2ght
K

4
Rh=
⇒

⇒
22 r 4s g
2
K 
2
h t
2
h
R =
⇒

4
2
2 s gh t
2
K 
4
Rh=
avec r s rayon de l'orifice d'écoulement en m.
⇒
2

2r 4s g
K
2
Rh=

2 r 2s 2 g
2
K 
2
h t
h t
La fonction représentant le rayon de la clepsydre en fonction de sa hauteur est donc de la forme:
4
y=  a x où est une constante qui vaut
2 r 4s g
K
2
En prenant r s =1mm , g =9,81m.s-2 et K=0,2 mm.s-1 on a a=4,905 .10-4 m3
4

-4
Traçons la courbe associée à la fonction R h = 4,905.10 h t  :
On remarque effectivement que le rayon du disque formant le haut du cylindre augmente en
fonction de la hauteur de ce dernier. La clepsydre aura donc une forme évasée pour que la vitesse de
diminution de la hauteur d'eau soit constante au cours du temps.
6
L' horloge à eau
Historique: Apparu 300 ans avant Jésus Christ, l'invention de l'horloge à
eau peut-être attribuée à Ctésibios, un contemporain d'Archimède.
Principe: Une horloges à eau est une amélioration de la clepsydre. Elle
consiste en un flotteur posé sur le reservoir contenant l'eau dont le niveau
descend ou monte régulièrement. Ce flotteur est surplombé d'un index
qui va indiquer l'heure sur un cylindre mobile. Sur le cylindre en
question sont dessinées des courbes représentant les heures en fonction
des mois de l'année (les jours et les nuits étant plus ou moins longs en
fonction des saisons.)
Avantages: Contrairement à la clepsydre, l'horloge à eau est une
véritable horloge qui permet de mesurer l'heure pour n'importe quel jour
de l'année.
Inconvénients: Véritable ancêtre de l'horloge mécanique, ses seuls
défauts sont qu'il faut ajuster le volume d'eau lors de son utilisation et que, pour les mêmes raisons
que la clepsydre, cet instrument ne peut pas être utilisé pour des températures inférieures à 0° C.
Petite question technique: Comment dans ce cas le débit est-il maintenu constant?
Réponse: Nous l'avons vu pour la clepsydre, le débit à la sortie d'un reservoir d'eau est fonction de
la hauteur d'eau à l'intérieur. L'idée est ici de maintenir la hauteur d'eau constante, afin de maintenir
un débit constant. Ctésibios invente alors le système de trop plein pour que le reservoir d'eau ait une
hauteur constante.
7
Le sablier
Historique: On ne sait pas exactement quand a été inventé le sablier. On
suppose que son invention remonte au XIIIème siècle. Il fut d’abord appelé
Orloge puis Reloge, Horloge à sablon et enfin sablier au XVIIIème.
Principe: Le principe du sablier se rapproche de celui de la clepsydre. Ici l'eau a
été remplacée par du sable et les deux récipients évasés par deux bulbes en verre
communicant entre eux par une partie plus ou moins étroite, permettant un
passage plus ou moins rapide du sable du bulbe supérieur au bulbe inférieur.
Avantages: Le sablier peut-être utilisé à n'importe quelle température,
contrairement à la clepsydre et à l'horloge à eau. Son utilisation est très simple et
ne nécessite aucun entretien (il était encore très répandu il y a quelques années,
notamment en cuisine comme minuteur)
Inconvénients: C'est un instrument peu précis et difficilement paramétrable, il ne sert qu'à mesurer
de courts intervalles de temps et ne peut en aucun cas renseigner sur l'heure exacte de la journée.
Petite question technique: Devinette: Dans le cas de cet instrument de mesure quelle molécule
chimique retrouve-t-on dans le contenu comme dans le contenant?
Réponse: Et bien dans le contenant, comme dans le contenu, on trouve des molécules de dioxyde
de silicium encore appelé silice de formule SiO 2 !
En effet on trouve dans le sable (contenu du sablier) une grande quantité de molécules de silice,
molécules qui sont à la base de la fabrication du verre.
Or pour fabriquer du verre il faut du sable ( SiO 2 ) , de la soude  NaOH et de la chaux
(mélange d'oxyde de magnésium Mg O et d'oxyde de calcium Ca O ) que l'on fait chauffer
dans un four et qui donnera le verre.
8
La bougie graduée
Historique: On pense que la bougie graduée a été inventée vers la fin du IXème
siècle en Angleterre pour Alfred le Grand qui s’en servait la nuit pour connaître
les heures des prières. Cet instrument sera d'ailleurs très utilisé par les catholiques
au Moyen Age.
Principe: La bougie est constituée d'une mèche autour de laquelle un corps
cylindrique fait de cire a été coulé. Le point de fusion de la cire avoisinant les
80°C, une fois la mèche allumée, la cire va passer à l'état liquide et imbiber cette
dernière par capillarité. Au contact de la flamme, la cire, composée de divers
alcanes, va donner naissance à une réaction de combustion. La vitesse de la
réaction étant considérée comme constante, la hauteur de la bougie va décroître à
vitesse constante au cours du temps. Ainsi une bougie graduée à intervalle régulier
peut servir de repère temporel.
Avantages: En plus de servir de chronomètre, la bougie permet également d'éclairer, ce qui fait
d'elle le premier instrument de mesure du temps utilisable de manière autonome dans le noir absolu.
Inconvénients: Le gros inconvénient de la bougie réside dans le fait qu'elle est à usage unique. De
plus la cire qui s'écoule le long de ses bords change sa forme et la mèche voit sa longueur varier au
cours de la combustion influençant les paramètres de la réaction, et donc la vitesse de la réaction.
La bougie est donc un instrument de mesure du temps très grossier.
Petite question technique: Que-est ce que la cire? Que signifie « imbiber par capillarité? »
Réponse: La cire d'abeille, cire utilisée pour la confection des bougies à l'époque, est un mélange
d'ester dont la formule moyenne est la suivante:
CH3− CH2 24−C −O − CH2 29−CH3
||
O
Lorsque la cire fondue se trouve en contact avec la mèche, de par leurs affinités chimiques, de
petites forces d'interactions (appelée forces de Van Der Waals) vont apparaître entre les molécules
qui les composent, les attirant les unes vers les autres. Les molécules de cire vont alors se glisser
dans les petits interstices qui constituent la mèche, la force gravitationnelle exercée sur la cire étant
plus petite que ces forces d'interactions, la cire va monter le long de la mèche. C'est le phénomène
de capillarité.
Ainsi la cire liquide consommée par la réaction en bout de mèche laissera sa place à de nouvelles
molécules de cire, qui réagiront à leur tour, etc...
9
Horloge de Candil
Historique: L'horloge de Candil est apparue pour la première fois en Espagne au
XVIIIème siècle. C'est en quelque sorte une amélioration de la bougie graduée.
On appelle en France ce type d'horloge « horloge de Candil » car Candil signifie tout
simplement lampe à huile en espagnol.
Principe: Le principe de l'horloge de candil est un abile mélange entre celui de la
bougie et celui de la clepsydre. Elle consiste en une lampe à huile dont le réservoir a
été gradué. Le niveau de l'huile, qui joue ici le rôle de combustible, va alors diminuer
en fonction du temps et par correspondance avec les graduations donner l'heure à son
utilisateur.
Avantages: Tout en gardant l'avantage de la bougie qui renseigne sur le temps écoulé
tout en éclairant (et donc très pratique la nuit), l'horloge de Candil est bien plus précise de part la
réaction de combustion plus contrôlée qu'elle produit.
Inconvénients: Il faut bien sûr les recharger en huile toutes les nuits mais surtout elles sont très
dangereuses. Du fait que l'huile est un liquide inflammable, si la lampe tombe et se casse, elle peut
enflammer de grandes surface et provoquer un feu difficilement maîtrisable.
Petite question technique: Qu'appelle-t-on huile? Quel type d'huile est utilisé dans l'horloge de
Candil?
Réponse: L'huile est un terme général pour désigner les matières grasses qui sont liquides à
température ambiante et qui ne se mélangent pas avec l'eau. On peut distinguer les huiles par
rapport à leur origine qui peut être animale (suif, huile de baleine,...), végétale (huile d'olive, huile
de tournesol,...) ou minérale (huile de houille, huile de pétrole,...).
C'est cette dernière catégorie d'huile qui est utilisée pour alimenter les lampes à huile, et donc les
horloges de Candil. A l'époque on utilise surtout l'huile de houille issue de la distillation de la
houille, roche carbonée que l'on extrait des mines.
10
L' horloge à Foliot
Historique: L'horloge à Foliot a été inventée par un moine à la fin du IVème
siècle afin de sonner l'heure des prières.
Principe: Le principe de l'horloge à foliot est basé sur la chute d'un corps pendu
à une corde enroulée autour d'un axe mobile. La chute du corps va entraîner le
déroulement de la corde, et donc la mise en rotation de l'axe. Un système à base
de rouage est utilisé pour freiner la chute du corps et transmettre le mouvement
de rotation aux roues sur lesquelles sont fixées les aiguilles de l'horloge. Pour
que la chute du corps, et donc la rotation des aiguilles, se fasse à vitesse
constante, et du fait que les frottements soient très peu reproductibles, on annule
cette chute à intervalle de temps régulier à l'aide d'un système d'échappement
relié à un bras vertical, appelé foliot, qui permet de régler la vitesse globale du
mécanisme, et donc de calibrer l'horloge. Ainsi, les roues sur lesquelles ont été
fixées les aiguilles vont tourner par intermittence à intervalle de temps régulier
(d'où le clic qu'on entend sur ce type d'horloge). Pour la première fois, le temps
n'est plus considéré comme un flux mais comme une succession de minuscules
divisions régulières générées par la chute périodique du poids.
Avantages: Ce type d'horloge ne dépend pas de la température (contrairement aux horloges à eau),
fonctionne indépendamment de tout combustible (contrairement aux bougies et aux lampes à huile)
et ne nécessite que de réenrouler la corde à laquelle est attachée le poids lorsque ce dernier arrive en
butée, pour à nouveau fonctionner.
Inconvénients: Les horloges à foliots sont constituées de multiples rouages entraînant de multiples
forces de frottement tout le long du mécanisme et qui les rendent très difficiles à régler. De plus, du
fait de leur encombrement, elle ne sont pas transportables.
Petite question technique: Quel est l'effet du foliot sur le mécanisme de l'horloge?
Réponse: Le foliot va influencer la vitesse de rotation des mécanismes de par son inertie (c'est à
dire sa faculté à s'opposer à son propre mouvement). Plus les poids seront espacés sur le foliot, plus
le foliot aura du mal à se mettre en mouvement, retardant ainsi le mouvement des palets et leur
échappement au niveau de la roue de rencontre. Le foliot permet donc d'ajuster la vitesse de rotation
des aiguilles de l'horloge.
11
Montre à quartz
Historique: Le premier prototype de l'horloge à quartz (de la taille d'un
gros réfrigérateur) fut construit aux Etats-Unis, en 1928, par Horton et
Marison. Les montres à quartz furent d'abord élaborées par une société
française Lip, mais furent commercialisées pour la première fois par
SEIKO (Japon) en 1969-1970.
Principe: Le principe des montres modernes, repose sur la particularité
du quartz qui possède des propriétés piézoélectriques, d'où le nom de
« montre à quartz ». Lorsqu'un courant électrique traverse le fameux
cristal, ce dernier se met à vibrer de manière régulière. Ce mouvement
crée un signal périodique sous la forme d'une déformation qui sera ensuite
exploitée pour produire le mouvement des aiguilles de la montre.
Avantages: Les déformations du quartz en fonction du temps sont très nombreuses en très peu de
temps (de l'ordre de 33000 fois par seconde), ce qui fait de la montre à quartz un instrument très
précis et très fiable. De plus le quartz nécessite très peu d'énergie électrique pour vibrer et donc la
pile qui l'alimente peut être suffisante pour plusieurs années.
Inconvénient: Le seul inconvénient des montres à quartz est qu'il faut quand même changer la pile
alimentant le quartz de temps en temps.
Petite question technique: Quelle point commun y a-t-il entre un sablier et une montre à quartz au
point de vue de leur conception? Détailler le fonctionnement de la montre.
Réponse: Encore une fois, la silice!!! (Que ferait-on sans elle...)
En effet ce qu'on appelle communément quartz n'est autre que de la silice cristallisée. Les cristaux
de silice peuvent jouer le rôle de résonateur lorsqu'ils sont traversés par un courant électrique. Leur
fréquence de résonance dépendra de la façon dont ils ont été taillés (suivant leurs tailles et leurs
orientations). Les cristaux de quartz, tels qu'ils sont taillés pour les montres à quartz, possèdent une
fréquence de résonance de l'ordre de 33 000 Hz (soit 33 000 oscillations en 1 s) qui va être divisée
par un trimmer (circuit électronique que nous ne détaillerons pas) pour la ramener à 1Hz (pour
l'aiguille des secondes). Cette fréquence va être utilisée pour faire tourner un moteur pas à pas qui
entraînera les aiguilles de l'affichage.
1: Pile fournissant l'énergie
2: Circuit intégré sollicitant le quartz et contrôlant les impulsions vers le moteur pas à pas
3: Quartz effectuant la division du temps
4: Trimmer régulant la fréquence
5: Moteur pas à pas, transformant les impulsions électrique en force mécanique
6: Rouage activant la minuterie (heures minutes, secondes)
7: Affichage analogique
12
L'horloge atomique
Historique: L'horloge atomique à jet de cesium a été crée dans les
années 1950 par Jerrold Zacharias, professeur au Massachussetts
Institute of Technology.
Principe: un oscillateur à quartz génère un signal électrique de
fréquence 10 MHz aussi exactement que possible et un dispositif
électronique multiplie la fréquence de base du signal issu de l'oscillateur
à quartz pour obtenir un signal dont la fréquence vaut 9.192.631.770 Hz
(étage multiplicateur de fréquence). Ce signal très haute fréquence (on
parle de signal hyper-fréquence ou micro-onde) est injecté dans un guide d'onde dont la géométrie
est telle qu'il entretient une résonance à cette fréquence particulière (cavité de Ramsey) et en même
temps un four envoie un jet d'atomes de césium 133, qui, au départ, se trouvent dans deux états
d'énergie différents (symbolisés par état A et état B sur la figure ci-dessous).
Un système de déflexion magnétique dévie les atomes qui ne sont pas dans l'état A : seuls les
atomes dans l'état d'énergie A pénètrent dans la cavité de Ramsey (étage de sélection d'entrée): Si la
fréquence injectée dans la cavité a très exactement la valeur 9.192.631.770 Hz, un grand nombre
d'atomes passe de l'état A à l'état B (phase d'interrogation) ;
Un second système de déflexion magnétique sépare la direction des atomes dans l'état A de celle des
atomes dans l'état B (étage de sélection de sortie) ;
Enfin, un détecteur, placé sur le trajet des atomes dans l'état B, compte le nombre d'atomes reçus
(étage de détection) et en fonction de la réponse du détecteur, un système modifie la fréquence du
quartz de telle sorte que le nombre d'atomes détectés dans l'état B soit maximal (boucle
d'asservissement).
Avantage: L'horloge atomique est l'instrument le plus précis actuellement, c'est elle qui définit la
seconde au niveau international
Inconvénient: Sa conception demande une haute technicité, on ne trouve pas une horloge atomique
à chaque coin de rue, on lui préfère bien sûr la célèbre montre à quartz, bien moins précise certe,
mais bien moins encombrante.
Petite question technique: Quelle partie de l'horloge atomique joue le rôle d'oscillateur?
Qu'apporte l'horloge atomique par rapport à la montre à quartz?
Réponse: C'est encore le quartz qui joue le rôle de l'oscillateur dans le cas d'une horloge atomique,
c'est donc un oscillateur à quartz qui est à la base d'une horloge atomique à jet de césium, les
atomes de césium n'étant là que pour contrôler et ajuster la fréquence du signal généré par le
quartz . Ainsi l'horloge atomique améliore simplement la précision de la montre à quartz grâce à
l'exploitation de la fréquence très élevée issu de la radiation électromagnétique qui se dégage
lorsque l'atome de cesium passe d'un niveau d'énergie à l'autre. L'horloge atomique « régule » en
quelque sorte la fréquence de résonance du quartz.
13
Conclusion
Ainsi, l'Homme, à travers les âges, n'a cessé d'exploiter la science afin de quantifier le plus
précisément possible le temps qui s'écoule. S'il y a quelques milliers d'années l'Homme pouvait se
contenter de mesurer le passage du temps plus ou moins approximativement, ne s'intéressant qu'à
des fractions de journées afin de réguler ses activités, l'évolution de l'humanité a entraîné la
nécessité de faire évoluer les techniques de mesures pour en arriver à l'élaboration des horloges
atomiques, gardienne du temps international, qui permettent entre autre de synchroniser les réseaux
de télécommunication à haut débit. On travaille encore à améliorer la précision de ces dernières
grâce au refroidissement des atomes de Cesium au voisinage du zéro absolu...
14