電気・電子工学とは何を学ぶ学問？――電力から半導体、通信、ロボットまで、現代社会を支える技術
お世話になっております。
スマートフォン、パソコン、家電、自動車、鉄道、工場、病院。
私たちの身の回りにある多くのものは、電気を利用して動いています。
普段はあまり意識しませんが、もし電気が使えなくなったら、現在の社会生活は大きな影響を受けるでしょう。
そんな社会の仕組みを支えているのが「電気・電子工学」です。
ただし、電気・電子工学という名前だけを聞いても、大学で何を研究するのか、なかなか想像できないかもしれません。
実は、この学問が扱う範囲は非常に広いのです。
発電所で大量の電気を作る技術から、スマートフォンの中にある極めて小さな半導体まで。
さらには、通信、ロボット、自動運転、医療機器、AIを動かすための電子回路などにも関わっています。
今回は、そんな電気・電子工学を少し深く見ていきましょう。
■ そもそも「電気工学」と「電子工学」は何が違う？
まず知っておきたいのが、電気工学と電子工学の違いです。
一般的に、電気工学は電気エネルギーを発生させたり、送ったり、利用したりする技術に重点を置きます。
例えば、発電所、送電線、変電所、モーター、電力設備などです。
一方、電子工学は電子の性質を利用して、電気信号を処理したり、情報を伝えたり、装置を制御したりする技術に重点を置きます。
例えば、半導体、電子回路、センサー、通信機器などです。
少し単純化すると、
電気工学は「電気をエネルギーとして扱う」こと、電子工学は「電気を情報や制御に利用する」ことに重点を置く学問と考えられます。
ただし、実際には両者の境界は明確ではありません。
電気自動車のモーターを動かすには、電力を制御する半導体回路が必要です。
スマートフォンも、情報を処理する半導体だけでなく、バッテリーから安定して電力を供給する仕組みが必要です。
そのため、多くの大学では「電気電子工学科」という一つの学科で、両方を学ぶ構成になっています。
■ ① 電力・エネルギー工学――社会に電気を届ける
私たちがコンセントから当たり前のように使っている電気。
しかし、その電気は発電所で作られ、送電線や変電所、配電設備を通って家庭や工場に届けられています。
しかも、電力の需要は常に変化しています。
暑い夏には冷房の利用が増え、工場が稼働する時間帯には多くの電力が必要になります。
このような変化に対応しながら、電気を安定して届ける仕組みを研究するのが電力工学です。
例えば、
「どうすれば送電時の電力損失を少なくできるのか」
「太陽光発電や風力発電を増やしても、電力網を安定させられるのか」
「停電が発生したとき、被害を小さくするにはどうすればよいのか」
といった問題を考えます。
特に、太陽光発電や風力発電は、天候によって発電量が変化します。
そのため、蓄電池の利用や電力需要の予測、電力網の制御なども重要になります。
社会全体のエネルギーを考える、大きな規模の工学分野です。
■ ② 電子回路工学――電気の流れを利用して機能を作る
スマートフォンやパソコンの内部には、多くの電子回路が使われています。
電子回路とは、抵抗、コンデンサ、トランジスタなどの部品を組み合わせ、電気信号を目的に応じて処理する仕組みです。
例えば、マイクは音を電気信号に変換します。
その信号は電子回路やデジタル処理によって加工され、スピーカーから再び音として出力されます。
また、温度センサーの信号を読み取ったり、モーターに流れる電流を調整したりする場合にも電子回路が必要になります。
大学では、電圧や電流の関係を学ぶ回路理論を基礎として、アナログ回路、デジタル回路、集積回路などについて学びます。
高校物理で学ぶ電圧、電流、抵抗、コンデンサなどの内容が、より高度な回路設計へとつながっていくのです。
電子回路工学は、電子機器に必要な機能を、実際の回路として実現するための学問といえるでしょう。
■ ③ 半導体工学――現代の電子機器を支える小さな技術
近年、ニュースなどでも「半導体」という言葉を聞く機会が増えました。
半導体は、スマートフォン、パソコン、自動車、家電、産業用機械など、非常に多くの製品に使われています。
では、半導体とは何なのでしょうか。
半導体とは、電気の流れやすさを条件に応じて調整できる性質を持つ材料です。
代表的なものにシリコンがあります。
この性質を利用して作られる重要な電子部品が、トランジスタです。
トランジスタには、電気の流れを切り替えたり、電気信号を増幅したりする働きがあります。
コンピュータの内部では、膨大な数のトランジスタを使って情報処理が行われています。
つまり、私たちが使うAIやゲーム、スマートフォンのアプリなども、その動作を物理的に支えているのは半導体技術なのです。
大学の半導体工学では、半導体材料の性質や電子の振る舞い、半導体デバイスの構造、集積回路の設計、製造技術などを学びます。
例えば、
「どうすれば少ない電力で高速に計算できるのか」
「より小さな半導体素子を作るにはどうすればよいのか」
「発熱を抑えながら性能を高めるにはどうすればよいのか」
といった問題を研究します。
さらに、電気自動車や産業設備では、大きな電力を効率よく制御するためのパワー半導体も重要です。
半導体工学は、コンピュータだけでなく、エネルギー分野にも深く関係しています。
■ ④ 通信工学――離れた場所へ情報を届ける
スマートフォンでメッセージを送る。
動画を見る。
遠くの人とビデオ通話をする。
これらは、情報を電気信号や電磁波、光などを使って伝える技術によって実現しています。
通信工学では、情報を正確に、速く、効率よく伝える方法を研究します。
例えば、スマートフォンの無線通信では、電波を利用します。
しかし、電波は建物や地形などの影響を受けます。
また、多くの人が同時に通信すると、限られた周波数資源を効率よく使う必要があります。
そこで、
「どうすれば通信速度を高められるのか」
「電波が届きにくい場所でも安定して通信するにはどうすればよいのか」
「雑音が混じっても正確に情報を伝えるにはどうすればよいのか」
といったことを考えます。
また、光ファイバー通信では、光を利用して大量の情報を遠くまで伝えます。
高速なインターネットやデータセンターを支えるうえでも重要な技術です。
通信工学は、目に見えない情報のやり取りを実現する学問なのです。
■ ⑤ センサー工学――機械が周囲の状況を知るための技術
自動車が障害物を検知する。
スマートフォンが画面の向きを自動で変える。
エアコンが室温を測定する。
このような機能にはセンサーが使われています。
センサーとは、温度、光、圧力、加速度、距離などの物理的な量を検出し、電気信号などに変換する装置です。
例えば、スマートフォンには加速度センサーや角速度を測るジャイロセンサーなどが搭載されています。
これらによって、本体の動きや向きの変化を検出できます。
自動車にも、車輪の回転速度、周囲との距離、カメラ画像などを測定するさまざまなセンサーが使われています。
ただし、センサーは測定するだけではありません。
測定した情報を正確に読み取り、雑音などの影響を抑える技術も必要になります。
そのため、センサー工学は電子回路や信号処理、半導体工学などとも深く結びついています。
機械が自分の周囲や内部の状態を知るための技術と考えると分かりやすいでしょう。
■ ⑥ 制御工学――機械を思いどおりに動かす
エアコンの温度設定を25℃にすると、室温が設定温度に近づくように運転が調整されます。
これは「制御」という技術が使われているからです。
制御工学では、装置やシステムを目的の状態に近づけ、安定して動作させる方法を研究します。
例えば、エアコンの場合は、温度センサーで現在の室温を測定し、その結果をもとに冷房の強さを調整します。
このように、測定した結果を利用して動作を修正する仕組みを「フィードバック制御」といいます。
工場の産業用ロボットも、モーターの回転や関節の位置などを制御することで、正確な動きを実現しています。
制御工学は、機械工学、電気・電子工学、情報工学が重なる代表的な分野です。
ロボットや自動運転に興味がある人にとって、非常に重要な学問といえるでしょう。
■ ⑦ 電気自動車には、電気・電子工学が詰まっている
ここまでの内容を、一つの製品で考えてみましょう。
例えば、電気自動車です。
電気自動車には、さまざまな電気・電子技術が組み合わされています。
まず、バッテリーに蓄えられている電気エネルギーを使います。
次に、インバーターなどの装置で電力を制御し、モーターを回転させます。
モーターが回転することで、その力が車輪に伝わり、自動車が走ります。
さらに、速度や電流、温度などの情報をセンサーで測定します。
それらの情報を利用して、モーターの出力やバッテリーの状態を適切に制御します。
そして、車内の各装置は電子回路や通信ネットワークによって連携しています。
つまり、一台の電気自動車の中に、
電力・エネルギー工学、電子回路工学、半導体工学、通信工学、センサー工学、制御工学などが使われているのです。
もちろん、車体や機械構造を作るには機械工学も必要です。
ここからも、実際のものづくりが複数の工学分野によって成り立っていることが分かります。
■ 高校の数学・物理と、どのようにつながる？
電気・電子工学では、高校の数学や物理が非常に重要な基礎になります。
例えば、電気回路ではオームの法則を学びます。
電圧が12Vで、抵抗が6Ωの場合、流れる電流は2Aになります。
しかし、大学では抵抗だけではなく、コンデンサやコイルを組み合わせた回路も扱います。
これらの回路では、電圧や電流が時間とともに変化します。
その変化を分析するために、微分方程式などの数学を利用します。
また、交流回路では三角関数や複素数が重要になります。
電磁波や通信について学ぶ場合には、波の性質や電磁気学の理解が必要です。
半導体を研究する場合には、原子や電子の性質、量子力学などにも進んでいきます。
つまり、高校で学ぶ数学や物理は、単に大学受験のために必要なのではありません。
実際の電子機器や電力システムが、どのような仕組みで動いているのかを理解するための基礎になるのです。
■ 大学では、どのような研究や実験をするの？
大学の電気・電子系学科では、講義だけでなく、実験や演習も行います。
例えば、電子部品を組み合わせて回路を作り、その電圧や電流を測定します。
オシロスコープという測定器を使って、時間とともに変化する電気信号を観察することもあります。
また、プログラミングによってマイコンを動かし、センサーやモーターを制御する実習もあります。
より専門的な研究では、半導体デバイスを設計したり、電力変換装置の効率を高めたり、通信方式をシミュレーションしたりします。
ここでも大切なのは、単に電子機器を作ることではありません。
「なぜ計算した値と測定結果が違うのか」
「なぜ回路が思いどおりに動かないのか」
「どうすれば電力消費を減らせるのか」
といった問題を考え、原因を分析し、改善することが求められます。
このような点は、前回紹介した機械工学とも共通しています。
■ 九州の大学では、どのようなことが学べる？
電気・電子工学に興味がある高校生に向けて、九州の大学も見てみましょう。
九州大学 工学部 電気情報工学科
九州大学には「電気情報工学科」があります。
この学科では、電気電子工学だけでなく、情報工学まで幅広く学びます。
低年次に共通する基礎を学んだ後、専門的な分野へ進んでいく構成になっています。
計算機工学コース、電子通信工学コース、電気電子工学コースが設けられており、それぞれコンピュータ、半導体・通信、電力・制御などに関係する内容を学びます。
電気にも情報にも興味がある人にとって、注目したい学科です。
参考：九州大学 工学部 電気情報工学科 https://www.eecs.kyushu-u.ac.jp/course.html
熊本大学 工学部 情報電気工学科
熊本大学には「情報電気工学科」があります。
電気工学、電子工学、情報工学に関する専門知識を学び、それぞれの分野の関係性も理解することを目指しています。
電力や電子デバイスだけでなく、情報処理やシステムに関係する分野にもつながります。
また、熊本大学には別に「半導体デバイス工学課程」も設けられています。
こちらは、半導体デバイスや集積回路の設計、製造プロセスなどに重点を置く課程です。
半導体に強い興味がある人は、情報電気工学科との学びの違いを比較してみるとよいでしょう。
参考：熊本大学 https://www.kumamoto-u.ac.jp/
近畿大学 産業理工学部 電気電子工学科
福岡県飯塚市にある近畿大学の産業理工学部にも、電気電子工学科があります。
電気工学では発電や電力制御、モーターなどを学び、電子工学では電子回路やセンサー技術などを学びます。
さらに、情報・通信工学に関する内容も扱っています。
電気・電子・情報通信を幅広く学びたい人にとって、比較対象となる学科です。
参考：近畿大学 産業理工学部 https://www.kindai.ac.jp/hose/department/electric/about/
■ 卒業後は、どのような仕事に就くの？
電気・電子工学を学んだ人が活躍する業界は、非常に幅広くなっています。
発電・送配電設備に関わる電力関連企業。
半導体や電子部品を開発・製造する企業。
スマートフォンや家電、通信機器などを作るメーカー。
自動車や鉄道、産業用ロボットなどに関わる企業。
さらに、医療機器、精密機器、工場の自動化設備など、多くの産業で電気・電子技術が必要とされています。
仕事の内容も、研究開発、電子回路設計、半導体デバイス設計、電力設備の設計・運用、制御システムの開発、品質評価など、さまざまです。
また、より専門的な研究開発に関わるため、大学院へ進学する人もいます。
大学を選ぶときには、就職先の企業名だけでなく、研究室の専門分野や大学院進学の状況も確認するとよいでしょう。
■ 電気・電子工学に向いているのは、どんな人？
電気・電子工学に向いているのは、必ずしも小さい頃から電子工作が好きだった人だけではありません。
例えば、次のような関心がある人にも向いています。
スマートフォンやパソコンの内部の仕組みに興味がある
半導体や電子部品の開発に関わりたい
電気自動車やロボットを動かす技術を学びたい
通信技術やネットワークの仕組みに興味がある
再生可能エネルギーや電力問題を解決したい
数学や物理を使って実際の技術を考えてみたい
ただし、これらの興味は、それぞれ異なる専門分野につながっています。
例えば、パソコンのソフトウェアを開発したいなら情報工学の方が直接的かもしれません。
一方、パソコンの内部にある半導体や電子回路を設計したいなら、電気・電子工学が重要になります。
同じ製品に興味があっても、そのどの部分を研究したいのかによって、適した学問は変わってくるのです。
■ 最後に――目に見えない技術が、社会を動かしている
機械工学が、自動車やロボットなどの構造や動きを考える学問だとすれば、電気・電子工学は、エネルギーを届け、情報を処理し、装置を動かすための技術を研究する学問と考えることができます。
もちろん、実際には両者が重なる分野も数多くあります。
そして、現在の社会では、電気・電子工学の重要性は非常に大きくなっています。
半導体がなければ、多くのコンピュータや電子機器を作ることはできません。
電力技術がなければ、工場や病院、鉄道などを安定して動かすことは困難です。
通信技術がなければ、インターネットやスマートフォンによる情報のやり取りも成り立ちません。
普段は目に見えにくい技術ですが、現代社会の多くの仕組みを支えています。
工学部を志望する高校生には、ぜひ「電気・電子工学」という名前だけで判断せず、その中にどのような研究分野があるのかまで調べてほしいと思います。
電気を作りたいのか。
半導体を研究したいのか。
情報を遠くへ届けたいのか。
それとも、ロボットや自動車を思いどおりに動かしたいのか。
興味を持つ対象によって、選ぶべき学科や研究室も変わってきます。
「電気を使って、何を実現したいのか」
その問いから考えてみることが、自分に合った進路を見つける第一歩になるのではないでしょうか。
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