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電気系エンジニアになるなら押さえたい電気の基礎!基本知識をわかりやすく解説!

2021.11.01更新

電気系エンジニアになるためには、電気の基礎知識を蓄えておく必要があります。電気工作には部品の名称を知っておくだけではなく、働きや仕組みを考えなければなりません。この記事では電気系エンジニアが電気の基礎知識を勉強する方法について解説しています。

電気系エンジニアとは

電気系エンジニアの概要

電気系エンジニアとは、日常生活で利用する家電製品や、その製品を作る設備を設計するエンジニアのことです。最近では、スマートフォンが普及したことや、電化製品にインターネットが繋がるようになった(IoT)ことから、機器を作るエンジニアの需要は高まっています。

電気・電子系のエンジニアは機器の設計開発が仕事で、仕事をするうえで意識すべきことが2つあります。

1つ目は「従来からある家電製品をよりよくする」ことです。洗濯機や冷蔵庫など、従来から使われてきた家電製品は、もっと節電できるような仕組みを考えたり、より使いやすい機能を付け加えたりすることが求められます。現状の家電製品に満足することなく、さらに人と環境に優しい製品を設計できるよう挑戦を続けることが必要です。

2つ目は「最新の技術を常に取り入れる」ことです。電気・電子エンジニアの分野は、常に新しい技術の研究開発がなされています。新しい技術をキャッチアップして、それを生かせるよう勉強を続けることが必要です。新しい技術を勉強するために、電気の基礎知識をしっかりつけておきましょう。

家電製品の需要が日々高まっていることから、電気系エンジニアは、どの分野でも不足しています。優秀な電気系エンジニアになるためには、日頃から電気系の知識やスキルを身につけておくことが重要です。勉強方法や、日頃の観察による学び方も理解しましょう。

求められること


電気系エンジニアに求められること

  • 最新の技術を学び続けること
  • 数学や物理などの理系基礎知識があること
  • 地道な作業をコツコツと続けられること

最新の技術を学び続けること

電気・電子の分野では、新しい技術が日々生み出されています。電気系エンジニアの使命は、新しい技術を活用し、より安全で便利な製品を設計することです。このためには最新の技術を学び続けることが必要となるので、日頃から新しい技術に目を向けるようにしておきましょう。

数学や物理などの理系基礎知識があること

電気の基礎知識を身につけると同時に、電気分野と深く関わりのある数学や物理などの基礎知識も習得しておく必要があります。電気製品が動いている背景には、数値計算や物理計算が基礎となっているので、高校生レベルの数学や物理は最低限習得しておきましょう。

地道な作業をコツコツと続けられること

電気エンジニアは、電気系の基礎的な内容を習得して、それらを応用して製品を設計します。一人前に製品を設計できるようになるためには勉強が欠かせません。勉強して手元でアナログな回路を組んでみるなど、地道にスキルを磨くことが大切です。

途中で勉強を諦めたり、思うように設計がうまくいかないからといって、すぐに投げ出すのは電気系エンジニアとして致命的です。目の前にあることをコツコツと地道にこなすことで、電気系エンジニアとして独り立ちすることができます。

電気の基礎知識〜回路の計算編〜

電荷と静電気

電荷とは、電気的な現象を引き起こす元となる物体です。全ての物質は原子からできており、原子の中心にある原子核の周りに電子が存在しています。原子核には陽子と中性子が存在しており、電子(マイナスの電気量)や陽子(プラスの電気量)など、電気をもつ粒子のことを電荷といいます。

電荷の単位はC(クローン)で、電子の持っている電荷の量を電気量と呼びます。電気的な現象は電荷の存在によって引き起こされるので、電荷は電気基礎において最も基本的な知識です。電荷が移動することによって、電気回路が動作します。

また、物体の上で静止している状態の電荷のことを静電気といいます。基本的にはプラスの電荷とマイナスの電荷が、同じ数存在することで安定していますが、なんらかの原因でマイナスの電荷がどこかへ移動してバランスが崩れた状態が静電気です。

電圧と電流

家電製品が動作するためには電気が必要です。マイナスの電荷を持つ電子が物質の中を移動することによって電流が発生し、電流の大きさは導体の断面を1秒間に通過する量で表現できます。単位はA(アンペア)を用いますが、電流の定義からC/s(クーロン毎秒)とも書くことが可能です。

電流は導体を流れる電流の量を表しているのに対して、電流を流す力の大きさを表す単位が電圧で、V(ボルト)が単位です。電圧と電流の大きさは比例しており、これをオームの法則と言います。電気回路を考えるうえでは、オームの法則は基礎的な公式になりますので覚えておきましょう。

抵抗

電流と電圧には比例する関係があり、これをオームの法則とよびました。実際には電圧は電流の何倍かで表現でき、何倍かを決めるのが回路全体の抵抗です。抵抗の単位はΩ(オーム)で表されます。抵抗とは電気の流れにくさであり、電圧を求めるためには、電気の流れた量と電気の流しにくさの積で求められます。

抵抗は電気の流れにくさであると解説しましたが、存在するとマイナスになるものではありません。電気を何か別のエネルギーに変換するものは抵抗として計算します。例えば、豆電球は電気エネルギーを光エネルギーに変換するものです。この場合、豆電球も抵抗の一つになります。回路に流れる電流の量を調整するために必要な抵抗を計算することも、電気の基礎的なテクニックです。

直列回路と並列回路

電気回路に流れる電流と、かかる電圧を求めるためには、その回路に存在している抵抗の合計値を求める必要があります。回路全体に対してかかる電圧、もしくは流れる電流と抵抗値がわかれば、オームの法則から電圧もしくは電流を計算できます。

抵抗が直列に繋がれているか、並列に繋がれているかによって全体の抵抗値は変わります。同じ抵抗値(Ω)の抵抗2つが直列に接続されている場合には、全体の抵抗値はその抵抗値の2倍になりますし、並列に接続されている場合には、全体の抵抗値はその抵抗値の半分になります。

電気系エンジニアとして電気回路図からの数値計算は、基礎の基礎といっても過言ではありません。特に最初のうちはオームの法則を十分に理解したうえで、回路図から直列に繋がれているか、並列に繋がれているかを見分けて計算する練習をしてみましょう。

交流と直流

回路に電気を流す方法には、「交流」と「直流」の2つがあります。直流は時間によって電気の流れる向きが変わらず、大きさも変わりません。代表例として乾電池がよく挙げられます。一方で、交流は時間によって電気の流れる向きと大きさが変わります。家庭用の電源は交流です。

電気製品は直流で動作しまが、家庭では交流の家庭用コンセントから電源を得ます。交流の電源を接続して、直流で動作する電気製品が動作する理由は、電気製品の中で交流が直流に変換されているからです。

交流電源は不要ではないかと思われるかもしれませんが、交流電源にも電圧を変化させやすいというメリットがあります。発電所から高い電圧で送られてくる電気をそのまま製品に流すと故障しますが、交流電源であれば電圧を直流電源より簡単に変えられるため、交流電源は必要です。

周波数

交流電源は電流の大きさと向きが変わり、1秒間にどのくらい向きが変わるのかを周波数で表します。周波数の単位はHz(ヘルツ)を用い、西日本では家庭用電源は60Hz、東日本では家庭用電源は50Hzと決められています。製品ごとに対応する周波数があるため、対応していない周波数の電源を用いると故障の原因となります。

電気の基礎知識〜部品編〜

コンデンサ

コンデンサは、どの電化製品にも使われている基礎的な部品です。電気を一時的に蓄えたり、放出したりする役割を持っています。コンデンサは、電気を通さない物質を金属で挟み込んだつくりになっており、電気を通さないことで電荷が金属に溜まる仕組みです。

コイル

コイルも、どの電化製品にも使われている基礎的な部品です。電流を安定させたり、電圧を変換させたり、電波を受け取ったりする機能があります。電気を作る発電所では電圧を変化させる設備が必要で、その設備を実現するために巨大なコイルが用いられています。

半導体(ダイオード・トランジスタ)

半導体は、IC回路や精密機器を作るために欠かせない部品です。電気系エンジニアなら半導体の仕組みを深く理解しておく必要があります。半導体は電気を通したり、通さなかったりと、状況によって振る舞いを変えることができます。

機械が数値計算するための基礎となる部品で、電気を通したり、通さなかったりすることで、「0」と「1」の情報を伝え、保存しています。これまで生活を豊かにする家電が多く誕生してきましたが、これは半導体のおかげです。

電気基礎の知識を勉強する方法

電気基礎について触れている書籍で学ぶ

電気基礎の知識を身につけるために、まずは原理や理論を座学で勉強する必要があり、書籍を活用することが一つの方法です。電気系エンジニアは電気回路図を覚えて、配線できるようになる必要があるので、基礎の基礎から身につけて難しい理論にも対応できるようにしましょう。

電気回路の勉強方法は、まず理論の基礎をおさえて、それを計算で活用できるようにすることです。基本を理解して応用することが電気系エンジニアに求められるスキルの一つであり、一度仕組みがわかるようになるとその先は理論の組み合わせをするだけになります。

電気基礎関連のWebサイトから学ぶ

書籍のみで電気基礎の勉強をすると、疑問が生まれた際に解決する手段がありません。そこで活用したいのがWebサイトの情報です。電気基礎に関しては多くの情報が掲載されているので、他の人の質問や意見を見て学ぶことができます。

電気基礎に関しては資格取得を達成するためのWebサイトも複数存在していますし、部品メーカーもわかりやすい解説記事を公開しています。さまざまな情報に触れることで、電気基礎に関する知識が深まることは間違いありません。

電気基礎に関する資格の問題を解く

理論や原理だけをただ丸暗記するだけでなく、何か目的を持って勉強することは大切で、電気基礎に関する資格を解いてみることはおすすめの勉強方法です。資格の問題を解くことは、実際に資格を取得することにも繋がります。

学んだ原理を実際に生かす機会を作ることで、電気基礎の勉強に関するモチベーションを維持できるはずです。特に初心者が基礎的な内容を勉強していると先が見えず諦めてしまいかねないので、目標設定しておくことには重要な意味があります。

電気エンジニアになるために知識を習得しよう

今回は電気に関する基礎知識の勉強方法について解説してきました。電気の分野は基礎的なことだけでも結構なボリュームがあります。難しいからと諦めてしまいそうになることもあるかもしれません。

しかし、一人前の電気系エンジニアになるためには、基礎の基礎から電気の知識を身につけておかないければ応用技術も理解することはできません。製品を作る電気系エンジニアもいれば、設備などを設計する電気系エンジニアもいます。いずれにしても、電気基礎の知識がないと務まらない仕事であるため、初心者のうちから基礎を学んでおきましょう。

また、実際のエンジニアの求人情報を見て、自分が活躍する姿をイメージすることも大切です。FREE AIDの求人情報を見て、勉強へのモチベーションを維持しましょう。

電子工学・電気工学の専門知識が欲しいときは

電子回路の知識や組み方を勉強し、自分でものづくりができれば良いですが、知識や技術を身に着けるまでにはやはり時間がかかります。しかし、機電系のエンジニアは会社に属していることが多く、頼みづらいと思うこともあるのではないでしょうか。
電子工学や電気工学の専門的な技術・知識が欲しい!という方におすすめなのがFREE AIDです。

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