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なぜ電磁気なのか?

みなさんこんにちは。技術教育センター長の前川(まえがわ)です。

もう早いもので12月の師走になりましたね。WTIでは4月に入社した新入社員が毎月、電気系基礎理論の4講座で元気に勉強しています。今回のブログでは、その中の一つの電磁気をとりあげ、「なぜ電磁気なのか?」について書いてみましたので、お気軽にお読みください。

このブログでは、当社メインキャラクターの「なみりん」を研修中の仮想新人として、イッくんとのインタビュー形式とさせていただいています。(イッくんは下名のニックネームです(イクセイ))

 

 

 

 

 

■なみりん: 電磁気を勉強しているけど、内容が難しいし普段はあまり使わないような気がするわ。なぜ、電磁気なのかしら?

■イッくん: それには、二つの理由があります。

いきなり大きなお話ですが、まず一つは、宇宙を支配している「力の原理」(相互作用)は四つであり、電磁気はその中の一つだからです。その四つとは次です。

  1. 重力
  2. 電磁気力
  3. 弱い力(素粒子間の力その1)
  4. 強い力(素粒子間の力その2)

第1の重力は皆さんよくご存じのニュートンの法則から始まるいわゆる力学でして、機械系、構造系の技術ではよく使われますよね。

第2が、電磁気力で、クーロン力など電界や磁界、それらの相互作用です。

第3、4の力は、素粒子に働く力なのでその作用は直接目に見えにくいです。

■なみりん: 宇宙のチカラがたった四つとは知らなかったわ。でも、新人講座で電磁気以外にも電気回路などを学ぶけど、それらは別ではないの?

■イッくん: いいえ、もとは同じなのですよ。電気回路は電磁気を基礎理論としています。当社新人講座の電気電子回路、高周波、半導体も、電磁気理論に基づいています。

電気回路のコンデンサやコイルの動作は電磁気そのものですし、オームの法則やキルヒホッフの法則も、電磁気の主要法則であるマクスウェル方程式から導きだされます。(ただし、オームの法則は電磁気だけでなく力学の一部の熱力学・統計力学も考慮して導かれるそうです。)

半導体の動作は、半導体内のガウスの法則と電流連続の式とで決まるので、マクスウェル方程式に従っています。高周波や無線ももちろん電磁気です。

ですから、宇宙を支配している原理の一つである電磁気理論の考え方を学ぶことは電気系の技術能力を養うのに必須であることがわかると思います。大学の電気系学科では、電磁気学は1、2年で必修科目ですよね。

ということで、電磁気を学ぶ重要性を理解していただけたでしょうか。

■なみりん: そうなんですね。第一の理由はわかったけど、もう一つの理由は何?

■イッくん: 第二に、電磁気は、数学と並んで論理的思考を鍛える学問だからです。

ご存じのように、技術とは基本法則を応用して課題を解決していきますが、電磁気ではその中心であるマクスウェル方程式やローレンツの式などの基本法則を様々に活用して電気関係の諸現象を説明し、問題を解決していくので、電磁気を学ぶことにより論理的思考力を養うことができますよ。

論理的思考力とは何かというと、課題の本質を抜けなく因果関係に従って論理的に分析し、それに必要な原理・法則を選択し、課題の条件を法則に適用して結論を導き出す「考える力」です。

また、三次元空間を微分・積分を使って表現するので、空間認識力も養うことができますよ。もちろん、力学を選んでも同様に学べますが、当社は電気設計が主体ですから、電磁気を選択しているわけです。電磁気を学んで論理的思考力を身に付ければ、情報処理にも力学設計にも応用できますよ。

■なみりん: なるほど、その二つの理由で電磁気なのね。でも電磁気は難しいのでどうしたらうまく学べるかしら?

■イッくん: そうですね、三次元空間の微積分がでてくるので、式が複雑になり、物理イメージが湧きにくいですよね。

おすすめは、まずは一次元で法則を考えてみることでしょう。例えば、コンデンサの Q=CV は、ガウスの法則の一次元形です。コンデンサは平行平面体で、電気力線が全て同一方向に向かっているので、一次元でガウスの法則を応用することができます。

また、コイルの V=-LdI/dt も電磁誘導の一次元形です。コイルの形は円形ですが、磁力線が一方向にそろっているので、一次元で表現できます。

まずはこれらを理解すれば、パラメータどうしの関係やメカニズムの物理イメージを身に付けることができます。その次に、二次元、三次元空間に展開していけばいいのです。

いかがでしょうか、なぜ電磁気を学ぶのか少しはおわかりいただけましたか?

■なみりん: よくわかりました。アドバイスを参考にして、3月まで電磁気をがんばって勉強します。

では、今回はここまでとします。ではまた、磁界まで、ではなく、次回まで~

 

【関連リンク】

プロ設計者養成プロジェクト「テクノシェルパ」「技術者教育サービスのご紹介」のページ

もご覧ください。

 

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