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図 3 仕事での生かし方仕事での生かし方 2

電気・電子・通信

スマートフォンの中の半導体や、まちじゅうに電波を届ける基地局、モーターや電気の設備をつくり、守る仕事です。高校の物理の「波」と「電気と磁気」の単元が、回路を描く光の選び方や、アンテナの大きさの計算に生きています。

黄色い光の部屋でシリコンの円盤を持つ技術者と、屋上のアンテナ、画面に映る電波の広がりを指さして話し合う学生たち

ひとことで言うと

にぎやかな教室で、自分の名前だけ聞き取る

にぎやかな教室でも、自分の名前を呼ばれると気づけます。スマートフォンも、空を飛び交うたくさんの電波の中から、決まった周波数の電波だけを選んで受け取ります。どの周波数を使い、どう選び分けるかを、波と電気の式で決めるのが通信の仕事です。

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どんな仕事?: 電気を使いやすくし、電波でつなぐ

電気・電子・通信のエンジニアの仕事は、大きく 3 つに分かれます。スマートフォンやパソコンの頭脳になる半導体や電子回路をつくる仕事。モーターや発電機、送電の設備で、電気を使いやすく届ける仕事。そして、電波で人と人をつなぐ通信の仕事です。

どの仕事でも、高校の物理の「電気と磁気」と「波」の単元が基本になります。オームの法則で回路を設計し、電流と磁界の関係でモーターを回し、波の式でアンテナの大きさを決めます。目に見えない電気と電波を、高校で学ぶ式で数にして扱う仕事です。

ビルや工場の電気設備の安全を受け持つ電気主任技術者のように、国家資格を生かして働く人も多い分野です。資格については、このページの最後の節で紹介します。

回路も、モーターも、電波も、高校の電磁気と波の式から始まります。

図解電気・電子・通信と高校の物理

電気・電子・通信
  • 電気回路スマホの回路と電池(物理基礎・物理)
  • 電流と磁界モーターを回す力(物理)
  • 電磁誘導発電機と変圧器(物理)
  • 電子と原子半導体の中の電子の動き(物理)
  • 光の回折半導体の回路を光で描く(物理)
  • 電磁波基地局とスマホの電波(物理)

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光の回折が生きる場面: 半導体の回路は、光で描く

スマートフォンの頭脳にあたる半導体のチップには、とても小さなトランジスタがびっしり並んでいます。この回路の模様は、光を使って写し取ります。模様を描いたマスクに光を通し、レンズで縮めて、光に反応する材料を塗ったシリコンの板に焼きつけるのです。

ここで壁になるのが、物理で学ぶ光の回折です。光は波なので、すき間や物の縁で回り込み、模様の輪郭がぼやけます。描ける細かさは、およそ光の波長に比例します。そこで半導体の工場では、波長 365 nm の紫外線から、248 nm、193 nm と、より波長の短い光へ切りかえてきました。

いまの最先端では、波長 13.5 nm の極端紫外線(EUV)が使われています。目に見える光の 30〜50 分の 1 ほどの短さです。EUV の装置では、模様を写す光学系にもマスクにも、特別な多層膜の鏡が使われています。

回路の線を細くできれば、同じ大きさのチップに、より多くのトランジスタを入れられます。光の波長を選び、レンズや鏡を設計するのも、半導体の製造装置をつくるエンジニアの仕事です。

光は波なので回り込みます。細かい回路ほど、短い波長の光で描きます。

図解光の波長と、描ける細かさ

入力回路の模様を光で写す(描ける細かさは、およそ波長に比例する)
  1. 1紫外線(i 線): 波長 365 nm
  2. 2KrF エキシマレーザー: 波長 248 nm
  3. 3ArF エキシマレーザー: 波長 193 nm
  4. 4極端紫外線(EUV): 波長 13.5 nm
結果波長を約 27 分の 1 にして、より細かい回路を描けるようにしてきた
黄色い光に照らされた部屋に、顕微鏡のような部品の付いた装置が 2 台並び、手前に丸いいすが置かれている
フランスの研究施設(LAAS-CNRS)にある、光で回路の模様を写す装置(マスクアライナー)。光に反応する材料が感光しにくい、黄色い光の部屋で作業します。写真: Guillaume Paumier(CC BY-SA 3.0・Wikimedia Commons)

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波の式が生きる場面: 5G の電波は、波長 8 cm

電波は光と同じ電磁波で、秒速約 30 万 km で進みます。波長は「速さ ÷ 周波数」で求められます。総務省は 2019 年 4 月、5G 用の電波を携帯電話の会社に割り当てました。3.7 GHz 帯・4.5 GHz 帯と、28 GHz 帯です。

3.7 GHz の電波の波長は、3.0 × 10⁸ ÷ (3.7 × 10⁹) で約 8 cm です。28 GHz なら約 1 cm しかありません。代表的なアンテナの長さは波長の半分ほどなので、周波数が高いほど、アンテナは小さくてすみます。

一方で、高い周波数の電波には弱点もあります。総務省の説明では、周波数が高い電波ほど直進性が強く、建物の陰に回り込みにくくなります。物理で学ぶ波の回折は、波長が長いほど大きく、短いほど小さいからです。

そのかわり、周波数が高い電波ほど、一度にたくさんの情報を運べます。遠くまで届く電波と、たくさん運べる電波をどう組み合わせ、基地局をどこに置くかを考えるのが、通信エンジニアの腕の見せどころです。

周波数から波長を計算すると、アンテナの大きさや電波の届き方が見えてきます。

クイズ電気と電波のクイズ

答えを 1 つ選んでください。

  1. Q15G で使う 3.7 GHz の電波の波長は、およそどれくらい?

  2. Q2半導体の回路を光で描くとき、波長の短い光に切りかえてきたのはなぜ?

  3. Q3第三種電気主任技術者試験(電験三種)を受けられるのは?

0 / 3 問に回答
曇り空の下、建物の屋上の縁に、白い縦長のアンテナが間をあけていくつも取り付けられている
建物の屋上の縁に取り付けられた、携帯電話の基地局のアンテナ。縦長のアンテナは、それぞれ決まった向きに電波を出します。写真: Anton Petrov(Public domain・Wikimedia Commons)

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基地局をつくる通信エンジニアの 1 日(例)

ここでは、携帯電話の会社で、新しい基地局の置き場所やアンテナの向きを決めるエンジニアの 1 日の例を紹介します。働き方は、会社や担当によって違います。

午前は、電波の届き方をコンピュータで予測します。地図に建物の高さを重ね、アンテナの向きや角度を少しずつ変えて、電波が弱くなる場所がないかを調べます。駅前に高いビルが建つと、その陰に電波が届きにくくなることもあります。

午後は、現地で測定です。測定用のスマートフォンを持って街を歩き、電波の強さと通信の速さを記録します。予測と実測のずれを確かめ、アンテナの向きを調整する計画を立てます。

計算で予測し、街で測って確かめ、電波の届き方を整えます。

図解基地局をつくる通信エンジニアの 1 日(例)

  1. 9:00朝会工事と測定の予定を確認する
  2. 9:30電波の予測地図と建物の高さから届き方を計算
  3. 11:00設計の相談アンテナの向きと高さを決める
  4. 12:00昼休み
  5. 13:00現地で測定街を歩いて電波の強さを記録
  6. 15:30データの分析予測とのずれを地図にまとめる
  7. 17:00調整の計画アンテナの向きを変える手順を作る

05

向いている人と入り方・その先

高校のうちは、物理の電気回路、電磁誘導と交流、波と電磁波の単元をていねいに学んでください。電圧・電流・電力の関係や、周波数と波長の計算に慣れておくと、大学の授業がぐっと分かりやすくなります。数学では、三角関数が交流や波を表すのに欠かせません。

大学は、工学部の電気電子工学科や情報通信系の学科が中心です。半導体の分野には、物理学科や化学系の学科の出身者もいます。電力・電子回路・通信・半導体のどれを深めるかは、多くの大学で 3 年生ごろから選びます(大学によって異なります)。

資格では、第三種電気主任技術者試験(電験三種)を、年齢や学歴に関係なく受けられます。第三種は、電圧 5 万 V 未満のビルや工場などの電気設備で、安全を監督できる国家資格です。試験は理論・電力・機械・法規の 4 科目で、「理論」は高校の物理の電気の単元の続きにあたります。

目に見えない電気や電波を、式と測定で確かめるのが好きな人に向いています。経験を積むと、新しい通信の方式や半導体の開発、発電所や工場の電気設備の保安をまとめる立場へ進む道があります。

電圧・電流・波長を自分で計算できることが、この分野の入り口です。

図解電気・電子・通信の仕事への道(例)

  1. 1高校で学ぶ電気回路・電磁誘導・波と電磁波
  2. 2資格に挑む電験三種などの過去問を解く
  3. 3大学で深める電気電子・情報通信の学科
  4. 4会社に入る通信・電機・半導体・電力など
  5. 5専門を広げる新しい方式の開発や保安のまとめ役

高校生のうちに試せること

  • 身の回りの電波の波長を並べる

    総務省の電波利用ポータルには、周波数帯ごとの主な使い道と電波の特徴がまとめられています。FM ラジオ、地上デジタル放送、Wi-Fi、5G などの周波数を調べ、波長 = 速さ ÷ 周波数 で計算して、長い順に並べましょう。

    周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴(総務省)
  • 電験三種の「理論」の問題を解いてみる

    電気技術者試験センターは、過去の試験問題と解答を公開しています。「理論」の科目から、抵抗をつないだ回路やコンデンサーの問題を 1 問選んで解いてみましょう。高校の物理の知識で考えられる問題も見つかります。

    第三種電気主任技術者試験 試験問題と解答
  • 電柱の変圧器を探す

    通学路の電柱の上で、灰色の円筒形の変圧器を探しましょう。何本の電柱ごとに 1 つあるか、近くの家の数と比べてみてください。6,600 V を 100 V に下げるには、コイルの巻き数の比をいくつにすればよいかも計算してみましょう。見るだけにして、電柱や電線には触れないでください。

「電気・電子・通信」に関連するコミュニティ

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よくある質問

電気電子工学科と情報系の学科は、どう違いますか?

電気電子工学科は、電気回路や電磁気学、電力、電子回路など、電気そのものの扱い方を中心に学びます。情報系の学科は、プログラムやデータ、コンピュータのしくみが中心です。通信の分野は両方にまたがり、どちらの学科からも目指せます。学べる内容は大学によって異なります。

半導体の仕事には、物理と化学のどちらが大切ですか?

どちらも使います。回路の中の電子の動きや、光で模様を描くしくみには物理の考え方が、材料をつくったり削ったりする工程には化学の考え方が生きます。電気電子工学科や物理学科、化学系の学科など、いろいろな学科の出身者が働いています。

高校生でも電験三種を受けられますか?

受けられます。受験資格はなく、年齢や国籍を問わずだれでも受験できます。試験は理論・電力・機械・法規の 4 科目で、科目ごとに合否が決まるので、何回かに分けて合格を目指す方法もあります。