遠くまで、確実に届ける
前回の教材では、懐中電灯の点滅・点字の凸点・電気回路のオン/オフが、すべて 「2つの状態の組み合わせ」 という同じ構造をしていることを見た。今回はその続編として、 「もっと遠くの友達と、確実に通信したい」 という新しい問いを追いかける。導線を減らす知恵、距離による信号の弱まり、そしてその壁を突破した発明「リレー」まで、 読む → 試す → 間違える → わかる の順に辿る。全4セクション・演習24問。回答はブラウザに保存されるので、途中でやめても続きから再開できる。
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はじめに: もっと遠くまで届けたい
前回、懐中電灯を使った1方向の通信を組み立てた。しかし現実の通信は、隣の部屋どころか、街をまたぎ、大陸をまたぐ距離を相手にする。 距離が伸びるほど、2つの新しい問題が立ちはだかる。
1つ目は「配線のコスト」。双方向にすると導線が増え、遠くまで引くほど費用も手間も増える。 2つ目は「信号の弱まり」。導線には抵抗があり、長くなるほど電流が減り、信号が読み取れなくなる。
この2つの問題を、19世紀の技術者たちはどう乗り越えたのか。その先に、コンピュータの計算・記憶の出発点にもなる、ある発明が姿を現す。
1. 導線を減らす知恵 — コモン線と接地
双方向通信は導線4本から始まる。電池のマイナス側を共有する「コモン線」で3本に、大地そのものを導体として使う「接地」で理論上1本まで減らせる。ただし、その理屈がどんな系でも成立するわけではない。
懐中電灯の通信を双方向にするには、Aさん→Bさん用とBさん→Aさん用、それぞれに導線2本の独立した回路が必要になる。 単純に足すと導線は4本。しかし、両方の電池の陰極（マイナス側）は「共通の基準点」として1本にまとめられる。 これがコモン線の発想で、導線は3本に減る。
さらに発想を進めると、大地そのものを導体として使う接地（グラウンド／アース）という手がある。 両端を地面につなげば、大地が帰り道を肩代わりしてくれるので、理論上は信号を送る導線1本だけで済む。
ただし接地が機能する条件は「回路全体の抵抗（大地の抵抗を含む）に対して、十分な電流を確保できること」。 懐中電灯規模の低電圧・小電流の系ではこの条件を満たせない。書籍の例では電圧を100Vクラスまで引き上げて対応しているが、 実務上は接地電極（銅棒など）の質を上げて接地抵抗そのものを下げる方法もある。「接地には高電圧が必須」という一般則ではない点に注意したい。
一方向のみの通信（Aさん→Bさんだけ）には導線2本（行き＋帰り）が必要である。これを双方向（AさんもBさんも相手に送信できる）にすると、導線は何本必要になるか？
双方向4本の回路で、2つの電池の陰極（マイナス側）どうしをつなぐ「コモン線」を1本共有させると、導線の本数はいくつに減らせるか？
コモンの発想をさらに進め、大地そのものを導体として使う「接地」を採用すると、理論上、導線は最少何本まで減らせるか？
懐中電灯規模の低電圧・小電流の回路では、なぜ「接地」方式がそのままでは機能しないか。最も適切な理由を選べ。
「グラウンド」という言葉には、文脈によって異なる2つの意味がある。正しい組み合わせはどれか。
コモン線を使った回路で、AさんとBさんが同時に送信ボタンを押すと何が起こりやすいか。最も起こりやすい現象を選べ。
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2. 距離の壁 — 抵抗と電圧降下
導線が長くなるほど抵抗が増え、電流が減り、信号が弱くなる。オームの法則の応用として、太さ（AWG）や電圧で対処できる範囲と、それでも残る実用上の限界を見る。
前回学んだオームの法則 I = E / R をもう一度思い出そう。導線が長くなると、その導線自身の抵抗Rが増える。 電圧Eが一定なら、電流Iはその分だけ減ってしまう。これが「距離が伸びると信号が弱くなる」ことの正体である。
I = E / R
対策は2つある。1つは導線を太くすること。導線の太さを表すAWG規格は、数字が小さいほど太く、抵抗が小さい。 もう1つは電圧を上げること。同じ抵抗でも、電圧を上げれば必要な電流を確保できる。
| 導線を太くする | 電圧を上げる | |
|---|---|---|
| 効果 | 抵抗そのものを小さくする | 抵抗が大きくても必要な電流を押し出す |
| 限界 | 太くするほど導線が高価・重くなる | 上げすぎると絶縁・安全上のコストが増える |
それでも対策には限度がある。実際の19世紀の電信システムでは、単一区間で安定して通信できる距離はせいぜい数百マイル程度が実用上の限界だった。 「ニューヨークからカリフォルニアまでの数千マイルをどう繋ぐか」という問いが、次のセクションへの入り口になる。
オームの法則 I = E / R を使う。ある電信線の抵抗がR=80オーム、電池の電圧がE=10ボルトのとき、電流Iはいくつか？
上の電信線を、材質・太さはそのままで2倍の長さに伸ばすと、抵抗と電流はそれぞれどう変化するか？
導線の太さを表すAWG規格は、数字が小さいほど太いか細いか、また抵抗は大きいか小さいか。正しい組み合わせを選べ。
抵抗80オームの電信線で、電流を0.2アンペア流したい。必要な電圧Eはいくつか（E = I × R の逆算）？
実際の19世紀の電信システムでは、単一区間で安定して通信できる距離はせいぜい数百マイル程度が実用上の限界だった。この事実から読み取れる最も適切な教訓はどれか。
導線の抵抗が大きくなりすぎたとき、懐中電灯回路や電信回路で実際に起きる現象として最も適切なものはどれか。
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3. モールス電信とリレーの発明
電球が実用化される前、モースは電磁石を使って電信を実現した。距離の壁を人間の中継作業で越えていたところから、「弱い信号で強い信号を制御する」リレー（継電器）という発明が生まれる。
サミュエル・モースが電信を実用化したのは1844年。実は、実用的な電球が発明される（1879年）よりも前の出来事である。 そのためモースは、受信側の表示に電球ではなく電磁石を使った。コイルに電流を流すと鉄心が磁石になり、 止めると磁力を失う——このオン/オフの性質を利用したのが、送信側の電信キーと受信側のサウンダである。
電信も、前のセクションで見た「距離が伸びると信号が弱くなる」問題から逃れられない。当時の解決策は、 約200マイルごとに人間が電文を書き取り、次の区間へあらためて送信し直すという中継方式だった。 ある中継作業者が「サウンダとキーの動きが同期している」ことに気づき、両者を物理的に連結してみた——という思考実験から、 ある発明が生まれる。
リレーが1個増えるごとに、通信できる距離はどれだけ伸びるのか。下のシミュレータで距離を伸ばすと、 線の色は右へ行くほど薄くなり、ある距離を超えると受信側のサウンダが動かなくなる。そこにリレーを置いて 区間を区切ると、切れ目ごとに信号が作り直され、導線はそのままでも届く距離が伸びていく。
送＝送信キー ／ リ＝リレー ／ 受＝サウンダ（受信側）
区間 1本 ／ 1区間あたり 150マイル
リレーなし（送信側から受信側まで1本の区間）
縦線＝サウンダを動かせる最低の強さ（20%）
届く — 受信側のサウンダが鳴る
1区間150マイル。まだ読み取れる強さが残っているので、リレーなしでも届きます。
距離を伸ばすと、線の色が右へ行くほど薄くなります。導線が長くなるほど信号は弱まり、ある距離を超えると 受信側では読み取れなくなります。ここでリレーを置くと、1本だった線路が同じ長さの区間に分かれ、 区間の切れ目ごとに信号が濃い色に戻ります。リレーが弱った信号を受け取り、その動きで 新しい電池につながった次の区間のスイッチを入れ直しているからです。届く距離が伸びたのは、信号そのものが 強くなったからではなく、1区間の長さが短くなったからだ、という点を確かめてみてください。 人間が電文を書き取って送信し直していた中継作業を、この仕組みがそのまま肩代わりしています。
これがリレー（継電器）の正体である。弱い入力電流で電磁石を動かし、その動きで別の （より強い電源につながった）回路のスイッチを開閉する。「入力電流によって出力回路が制御される」——つまり、 電流で動くスイッチであり、弱い信号を強い信号に増幅する装置だ。
リレーの発明によって、人間が担っていた「書き取って中継する」作業を、電気的な仕組みだけで自動的に行えるようになった。 そしてこの「電流で動くスイッチ」という性質こそが、この先の話——論理ゲートと2進数によるコンピュータの計算——への伏線になる。
電磁石の基本原理として正しい説明はどれか。
電信キーとサウンダの役割の組み合わせとして正しいものはどれか。
モースが電信の受信側の表示装置に、電球ではなく電磁石（サウンダ）を採用した最大の理由は何か。
距離の壁を超えるために19世紀の電信網が実際に採用していた中継方式はどれか。
リレー（継電器）の核心となる仕組みを最もよく説明しているものはどれか。
リレーが「信号を増幅する装置」と呼ばれるのはなぜか。
リレーの発明によって、それまで人間が担っていたどんな作業を機械に置き換えられるようになったか。
モールス電信の「オン/オフの2状態」というバイナリコードは、その後の通信の歴史でどうなったか。最も適切な説明を選べ。
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4. まとめ・伏線 — 次は「数の数え方」へ
コモン線・接地・リレー、3つの工夫に共通する狙いは何か。そしてリレーの「電流で動くスイッチ」という性質が、次に何につながっていくのかを見渡す。
| 工夫 | 減らしたもの |
|---|---|
| コモン線 | 導線の本数（4本→3本） |
| 接地 | 導線の本数（3本→理論上1本） |
| リレー | 人間による中継作業（書き取り→自動化） |
コモン線・接地・リレー。この3つに共通する狙いは、導線の本数や人手といったコストを減らしながら、 より遠くへ確実に情報を届けることだった。形は違っても、距離とコストの制約を電気の性質でどう乗り越えるか、という同じ問いへの答えである。
そして、リレーが持つ「電流で動くスイッチ」という性質は、ここで終わらない。スイッチを組み合わせれば 「AとBが両方オンのときだけオン」「AかBのどちらかがオンならオン」といった論理的な判断を、電気の力だけで行えるようになる。 これが論理ゲートであり、2進数によるコンピュータの計算・記憶の出発点になる——のだが、その前に 数の数え方を学ぶ必要がある。
第5章（導線を減らす工夫）と第6章（リレーの発明）を通じて共通しているテーマは何か。
リレーが持つ「電流で動くスイッチ」という性質は、この先どんな技術につながっていきそうか。伏線として最も適切なものを選べ。
コモン線・接地・リレーという3つの工夫に共通する狙いは何か。
もし電磁石が発明されていなかったとしたら、遠距離通信はどのような制約を受け続けていたと考えられるか。最も筋の通る推論を選べ。
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