電磁気解析

電磁気解析でわかる4つのこと

電磁気の解析とは、電荷・電流がつくる電場と磁場、そしてそれらが回路や機械にもたらす電圧・電流・力を予測する技術です。モーター・変圧器・アンテナ・電子回路・電磁ノイズ対策——現代のあらゆる電気製品の設計の土台です。

電磁気の骨組み — 4つの法則と1つの実数値例

① クーロンの法則とガウスの法則 — 電荷が電場をつくる

すべての出発点は「電荷は距離の2乗に反比例する力を及ぼす」というクーロンの法則です。多数の電荷や対称性のある問題では、ガウスの法則が強力な近道になります。クーロンの法則とガウスの法則（電場可視化）で、電気力線のふるまいを直感にしてください。

② アンペールの法則 — 電流が磁場をつくる

直線電流のまわりには同心円状の磁場ができ、コイルに巻けば内部にほぼ一様な磁場が得られます。アンペールの法則シミュレーターでソレノイドの磁場を確認できます。

③ ファラデーの法則 — 磁場の変化が電気を生む

発電機・変圧器・ワイヤレス充電のすべてがこの1本の式（誘導起電力 = −dΦ/dt）で動いています。重要なのは磁束そのものではなく磁束の変化の速さが電圧を決めること。ファラデーの法則シミュレーターで磁石を速く動かすほど電圧が跳ねる様子を体験できます。

④ RLC回路の共振 — 実数値でつかむ

インダクタ L とコンデンサ C を組むと、特定の周波数 f₀ = 1/(2π√(LC)) でだけ電流が大きく流れる「共振」が起きます。実際に計算してみましょう。L = 100 μH、C = 253 pF なら f₀ = 1/(2π√(100×10⁻⁶ × 253×10⁻¹²)) ≈ 1.0 MHz — AMラジオの帯域です。ラジオの選局とは、この C を可変にして f₀ を放送局の周波数に合わせる操作に他なりません。直列RLC共振シミュレーターで共振カーブとQ値を動かせます。

目的別 — 電磁気シミュレーターの選び方

電磁気・回路ツール149種のうち、まず触るべき定番を目的別に挙げます。すべて無料・登録不要です。

静電気・電場

• クーロンの法則 — 点電荷の力と距離の2乗則
• 電場・電位シミュレーター — 電気力線と等電位線を描く
• ガウスの法則 — 対称性で電場を一撃で求める
• コンデンサの充放電 — RC時定数の感覚づくり

磁気・電磁誘導

• アンペールの法則 — 電流がつくる磁場
• ファラデーの法則 — 発電の原理そのもの
• 電磁誘導シミュレーター — レンツの法則と渦電流
• コイルインダクタンス計算 — 巻数・形状とLの関係

回路の基礎

• 直流回路シミュレーター — オームの法則と分圧・分流
• 電気回路ビルダー — 自由に組んで試す
• RL回路 — 電流の立ち上がりと時定数
• 交流インピーダンス — 位相とフェーザの入口

共振・フィルタ

• 直列RLC共振 — 共振カーブとQ値
• バンドパスフィルタ — 周波数選択の仕組み
• ハイパスフィルタ（RC一次） — カットオフの設計
• インピーダンス整合 — 反射係数とSWR

モーター・電力機器

• 電動モータートルク — 電流とトルクの関係
• 三相誘導電動機 — すべりとトルクカーブ
• PMSMモーター設計 — 現代EVモーターの設計量
• 電磁シールド効果 — ノイズ対策の定量化

全149種は電磁気・回路シミュレーター一覧から。物理シミュレーション全体の入門は物理シミュレーションとはへ。

よくある質問（実務・学習）

Q. 電磁気はどの順番で学ぶのが効率的ですか？

静電気（クーロン・ガウス）→ 直流回路 → 磁気（アンペール）→ 電磁誘導（ファラデー）→ 交流回路・共振、の順が定石です。数式が抽象的に感じたら、各段階のシミュレーターで「場の絵」を先に見てから式に戻ると定着が段違いです。

Q. 交流回路の位相が直感的に分かりません

コンデンサは「電圧がたまるまで電流が先行」、インダクタは「電流が変わるのを嫌がるので電圧が先行」と物語で覚え、あとはフェーザ図で機械的に処理するのが実務流です。RLC共振シミュレーターで周波数を掃引すると、位相が−90°から+90°へ回っていく様子が目で追えます。

Q. モーター設計はどこから触ればよいですか？

①トルクと電流の比例関係（トルク定数）→ ②回転数と逆起電力 → ③すべり（誘導機）またはdq制御（PMSM）の順です。まずトルクシミュレーターで電流→トルクの感覚を作り、機種別の設計ツールに進んでください。