電圧と水圧

質問

電圧を水圧で例える人がいますが、納得できません。
水を使って例えると、電圧は水圧で、電流は水の流量だと説明されることがあります。
しかし、水圧は、ミクロな視点で考えると、水分子が単位面積に与える力だから、速さだけでなく、流量にも影響されますよね。
でも、電圧って、電子が単位面積に与える力というわけではないでしょう？
電圧は、電子を動かそうとする力のことではないですか？
ならば、電圧を水路の傾斜で例えることは納得できます。
重力下では、傾斜が大きければ大きいほど、一つ一つの水分子にかかる力（水分子が進む向きに）は、大きくなっていきますからね。
電圧が大きいということは、電子一つ一つにかかる力が大きいということですよね？

私は、電気初学者なので、間違った記述があるかもしれませんが、電圧を水圧に例えることに疑問を抱いたので、質問させていただきました。

回答No.8

waamos

あくまでマクロな現象を表現する数式が似ているだけですので、そこからミクロなレベルにも類似性があると類推するのは止めた方が良いように思います。

電気回路の電圧と電流の関係（オームの法則）
　　ΔV = IR　（ΔV：電圧の差、I：電流、R：抵抗）
流管中の水圧と流量の関係（層流につてい成り立つポワズイユの法則など）
　　ΔP = Q/C（ΔP：水圧の差、Q：流量、C：コンダクタンス）

ΔVとΔP、IとQ、Rと1/Cを対応させれば、片方で覚えた知識をもう片方に適応できます（例えば並列・直列回路のコンダクタンスの計算方法など）。そういった意味で電圧を水圧に例えることは有益です。

ちなみに圧力差が重力によって生じているなら、
　　ΔP = ρgΔh（ρ：水の密度、g：重力加速度、Δh：高低差）
　　Δh = Q/(ρgC)
と、電圧という分かりにくい概念を、高低差という目に見える物に対応させる事ができます。これも教育上有益です。またポテンシャルという概念の例え話としても分かりやすいと思います。

参考URL：

http://www.nucleng.kyoto-u.ac.jp/people/ikuji/edu/vac/app-A/conduct.html

回答No.7

uen_sap

電圧も水圧も位置エネルギーの一種ですから、同じようなものです。
電気の初心者に、電圧とは何ぞや、を説明する言い方ですので、これで十分です。
ミクロがどうこうというのは意味がない。
電圧は電子を動かそうとする力ですが、水圧は水を動かそうとする力ですから、同じ。
水圧は流量には影響されません。何か勘違いされているようです。
分かっているようで、理解が浅いのでしょうか。
もっと勉強して下さい。

お礼

ありがとうございます。

水圧は位置エネルギーの一種ですか。
「位置エネルギーによって水圧の大きさが決まる」という説明は見ますが、「水圧（圧力）は位置エネルギーである」という説明に出会ったのは初めてです。
「力とエネルギーは違う」ということは、たくさんの本やサイトに、強調して書かれてますからねえ・・。
うーん、一体、何が正しいのやらです。

＞水圧は水を動かそうとする力ですから

つまり、「水圧は重力である」ということでしょうか？

回答No.6

foomufoomu

＞えーと、水を流そうとする力とは何ですか？
あなたは、「電圧とは電子を流そうとする力」だと言いました。たぶんそれと同じことです。
力とは何か？．．．といった質問には物理学は答えてくれません。それに答えるのは哲学の仕事です。
物理学は、力に関する諸々の法則を教えてくれるだけです。

＞重力ですか？
重力も水圧を作る元になります。とくに電気を水に例える場合は、水圧は重力で作られるものとして説明することが多いですね。

＞だとしたら、水圧とは重力のことですか？？
これは「木は太陽光線で育ちます。だとしたら木は太陽ですか？」と言っているようなものです。
前に書いたように、水圧とは何か？　には物理学は答えてくれません。

＞水圧は傾斜には比例しません。全体の高低差に比例します。
＞傾斜が大きい方が水圧も大きくなると思うのですが。
ここに、底にパイプを取り付けた3つの水槽があるとします。どれも同じ大きさで、高さ１ｍの台に乗っていて、パイプは地面まで伸びています。
ただし、パイプは斜めに伸びていて、1つ目の水槽は水平に2mの所、2つ目の水槽は水平に1mの所、3つ目の水槽は真下にパイプの端があります。
（つまり、高低差は一定で、パイプの勾配だけが違います。）

さて、それぞれの水槽にいっぱいに水を入れた時、パイプの地面側の端での水圧は、どのようになりますか？
（水圧は、どれも同じです。）

＞傾斜が大きくなれば、傾斜方向にかかる重力も大きくなり、
同じ高さのパイプでは、傾斜が小さいと、パイプ長さあたりの傾斜方向の重力は小さくなりますが、パイプの長さが長くなるので、全体の水圧は同じになります。結果的に、水圧は傾斜に無関係で、高さだけで決まります。

お礼

ありがとうございます。

＞力とは何か？．．．といった質問には物理学は答えてくれません。それに答えるのは哲学の仕事です。
物理学は、力に関する諸々の法則を教えてくれるだけです。

承知しています。
僕の問いは、「力とは何か」という哲学的なものではなく、純粋に物理学的なものです。

＞これは「木は太陽光線で育ちます。だとしたら木は太陽ですか？」と言っているようなものです。

foomufoomuさんが、水圧を「水を流そうとする力」だと書かれたので、「ならば重力のことでしょうか？」と質問しました。
「水圧＝水を流そうとする力」で、「水を流そうとする力＝重力」ならば、「水圧＝重力」になりませんか？？
僕の水圧に対する認識は、水（ミクロな視点でみると、たくさんの水分子）が単位面積に与える力の合計であって、水（ミクロな視点でみると、水分子）を流そうとする力（重力）のことではないです。
水圧の原因は重力だが、水圧そのものは重力ではない、という認識です。
水圧は電気反発力、という認識です。
たとえば、バッグには重力が作用しますから、手で持ち続けるためには、力が必要ですが、手にかかる力そのものは、重力ではなく、電気反発力ですよね？？
バッグが手に力を与える原因は重力だと言えるでしょうが、バッグが手に与える力そのものは、重力ではなく、電気反発力ですよね？
それと同じ認識です。

＞ここに、底にパイプを取り付けた3つの水槽が・・・

ああ、なるほど。
やはり、foomufoomuさんと僕ではその点の認識も違っていたようです。
僕は、水路の傾斜と水路の距離が比例するという前提には立っていませんでした。
僕が考えていたのは、傾斜だけが変わり、水路の距離は変化しない場合です。

補足

＞僕は、水路の傾斜と水路の距離が比例するという前提には立っていませんでした。

ここ、比例ではなく、反比例ですかね。
傾斜が大きくなると、水路の距離は短くなりますから、比例ではないですね。
そもそも比例、反比例の考え方で合ってますかね。
とにかく、僕が考えていたのは、傾斜だけが変わり、水路の距離は変化しない場合です。

回答No.5

foomufoomu

やはり、力について、根本的に勘違いがあるようです。

何も動いてない状態でも、力がかかっていることはあります。。。まず、これを納得してください。

たとえば、
机の面に重りを載せます。。。机の面には押す力がかかっていますが、何も動きません。
天井から吊るしたロープに重りをぶら下げます。。。ロープには引っ張る力がかかっていますが、何も動きません。
水槽に水を入れます。。。水槽のガラス面には水圧がかかりますが、何も動きません。

たぶん、力学的なエネルギーのことを力と間違えているかと思います。
ものを動かすには力でなくエネルギーが必要です。力学的なエネルギーは　力×移動量　が基本となります。(他のエネルギーはこれから換算できる)　移動量がゼロのときは、力のみ存在し、エネルギーが存在しない状態です。

水圧についても、勘違いがあるようですが、どう勘違いしているのかさっぱりわかりません。

＞電圧は、電子を流そうとする力であるのに対して、水圧は、水を流そうとする力ではないですよね。
水を流そうとする力ですが。。。

＞水圧は流量（水量）と関係があるのではないですか？？
ありません。流量、水量ではなく、高低差で決まります。高さが１ｍの細いガラス管に水を満たした場合と、高さが１ｍの立方体の水槽に水を満たした場合とで、底面にかかる水圧は同じです。

＞単位面積にかかる力の大きさは、水量が多ければ多いほど、大きくなりませんか？
なりません。

＞気圧も分子密度に影響されますよね。それと同じじゃないんですか？
水の場合は分子密度とは無関係です。（厳密には水もわずかに密度が変化しますが、普通それは無視します）
気体の場合も、分子密度が上がるから気圧が上がるというよりは、気圧を上げると結果的に分子密度が上がると考えるのが普通です。

＞流量ではなく、水量と言うべきでしょうか。
？？？

＞傾斜にも比例しませんか？？
水圧は傾斜には比例しません。全体の高低差に比例します。

つまり、質問の冒頭で、
＞電圧を水圧で例える人がいますが、納得できません。
と、書かれていますが、水圧や力について誤解があるのが、納得できない理由のようです。

お礼

ありがとうございます。

＞何も動いてない状態でも、力がかかっていることはあります。。。まず、これを納得してください。

はい、承知済みです。

＞ものを動かすには力でなくエネルギーが必要です。力学的なエネルギーは　力×移動量　が基本となります。(他のエネルギーはこれから換算できる)　移動量がゼロのときは、力のみ存在し、エネルギーが存在しない状態です。

つまり、正味の力がゼロより大きくなくてはならないということでしょうか？
ならば、承知済みです。

＞水を流そうとする力ですが。。。

水圧は水を流そうとする力とのことですが、えーと、水を流そうとする力とは何ですか？
重力ですか？
だとしたら、水圧とは重力のことですか？？

＞水圧は傾斜には比例しません。全体の高低差に比例します。

うーん、ここが納得できません。
たとえば、水車にかかる水圧を考えるとき、傾斜が大きい方が水圧も大きくなると思うのですが。
傾斜が大きくなれば、傾斜方向にかかる重力も大きくなり、その分、水分子一つ一つの運動エネルギーも大きくなりますよね？

回答No.4

ORUKA1951

電流を水流で例える水量モデルのことですよね。実に良い方法ですけど。
電圧: 二点間の電位差
水圧: 二点間の水圧差
　いずれも位置エネルギーの差
電流: 単位時間に断面を通過する電荷
水流: 単位時間に断面を通過する水量

抵抗: 電圧(水圧)を電流(水流)で割ったもの

「水圧は、ミクロな視点で考えると、水分子が単位面積に与える力だから、」
　それは違う。この場合の圧力とは、温度・密度に依存する壁面を押す力です。それは電荷の場合もありますが、ここで言う「圧」とは、その差です。
「速さだけでなく、流量にも影響されますよね。」電気と水はまったく同じで、
断面を通過する流量は電位差に影響されますし、速度は断面積に影響を受けます。

＞重力下では、傾斜が大きければ大きいほど、一つ一つの水分子にかかる力（水分子が進む向きに）は、大きくなっていきますからね。
＞電圧が大きいということは、電子一つ一つにかかる力が大きいということですよね？

　たぶん、電流自体を大きく誤解されている。
　電圧とは、電荷が受ける力の大きさ--電場の傾きでしたね。水の場合も同じです。隣の水に押されているわけではなく、一滴であっても流れ落ちます。なぜなら重力場に勾配があるから。

　水(電子)の詰まったホース(導体)の一方が閉じられていたとして、内部の水(電子)は重力場(電場)によって低いほうに向かおうとしますが、低いほうが詰まっている＝高いほうが閉じられているために、反発で移動できません。
　弁(スイッチ)が接続されると、その部分の水分子は移動できるようになりますから、隣に移動します。そのためその部分の圧力(電位差)が変化、その変化は玉突き式に他方に伝わります。水の場合は水中の音速、導体の場合は導体内の光速で信号が他の端に向かって走り抜けます。電子は、その位置からほとんど動いていなくても、その信号を受け取った水分子(電子)はその電位差にしたがって移動を始めます。結果的にホース(導体)の反対側には音速(光速)で水(電子)の流れが伝わります。
　全体で見ると、一方の端から他方に水(電荷)が一瞬（音速/光速）で移動していますが、個々の水分子（電子）が他方にジャンプしたわけじゃない。

　水流モデルは、最近はあまり見かけなくなりましたが、指導要領改訂で小学校で電圧が扱えるようになったのでまた復活するでしょう。---ゆとり時代には電圧は小学校で指導できなかった。酷い話です。

お礼

ありがとうございます。

＞「水圧は、ミクロな視点で考えると、水分子が単位面積に与える力だから、」
　それは違う。この場合の圧力とは、温度・密度に依存する壁面を押す力です。

うーん、違いが分かりません。
温度、密度、あとは、水の勢いとか・・ですかね、に依存して、水分子が単位面積に与える力ですよね？？

＞速度は断面積に影響を受けます。

うーん、ここが全然分かりません。
水の速度が断面積に影響を受けるということでしょうか？？
水の速度は、傾斜に影響されるのではないのですか？
あと、高低差もでしょうね。

回答No.3

foomufoomu

＞電流は水の流量
で、あってますよ。

ポンプでは力の単位として、圧力（水圧）でなくパイプ全体の力をつかう
電力Wはエネルギーの単位でなく、仕事率（＝単位時間当たりのエネルギー）の単位。
があるので、話がややこしくなっています。
（つまり、ポンプの計算式を参照するのは、お勧めできません）

電圧　←→　水圧
電流　←→　流量
電力W　←→　水圧×流量
電力量Wh　←→　水圧×流量×時間　(これがエネルギー。ただし通常エネルギーは秒単位なので、WhをW秒に換算するのを忘れないように)

という対応で間違いありません。というか、電気を水にたとえる話なので、２番回答のような対応にしても説明できますが、直感的にわかりにくくなってしまい、たとえ話の意味がなくなります。

それから、前回書き忘れましたが、
＞電圧を水路の傾斜で例えることは
傾斜でなくて、高低差　ですね。水圧は高低差に比例しますから。

お礼

ありがとうございます。

＞傾斜でなくて、高低差　ですね。水圧は高低差に比例しますから。

傾斜にも比例しませんか？？

回答No.2

lumiheart

＞電圧は水圧で、電流は水の流量
チョコット違う

電圧　：　水圧
電流　：　流速
と、すると
電力　：　流量
となります
また
配管抵抗：電気抵抗
とも当てはまります

ポンプの動力計算式がそのまんまそうなってる
http://www.hitachi-ies.co.jp/products/pump/rikujo/he.htm
http://www.jeca.or.jp/files/66.pdf
http://www.jeea.or.jp/course/contents/09202/

ポンプの消費電力は流量に比例する
電力＝電圧ｘ電流
流量＝水圧ｘ流速

お礼

ありがとうございます。

回答No.1

foomufoomu

たとえ話ですから、細かなことを言っても・・・
って、mijukaminさん、うまく説明しちゃってますじゃないですか。

＞水圧は・・・水分子が単位面積に与える力・・・
＞電圧は、電子を動かそうとする力・・・
どちらも力に例えることができるってことで。

でも、
＞分子が単位面積に与える力だから、速さだけでなく、流量にも影響されますよね。
力について勘違いがあるような気がしますが、力が作用しているだけでは、(水門を閉じた状態では)水は動きません。水が動いてなくても、力(水圧)はかかっています。
力は、流量には無関係なのです。

なお、水車を動かすためには、力でなくエネルギーが必要で、水の場合は　水圧×流量×時間　(流量は水路断面積×流速)になります。
モーターを動かす電気エネルギーが　電圧×電流×時間 なのと同じです。

お礼

ありがとうございます。

細かいことにこだわる前提でお願いします。

電圧は、電子を流そうとする力であるのに対して、水圧は、水を流そうとする力ではないですよね。
そこに引っかかっているのではないかと思います。

＞力は、流量には無関係なのです。

水圧は流量（水量）と関係があるのではないですか？？
単位面積にかかる力の大きさは、水量が多ければ多いほど、大きくなりませんか？
気圧も分子密度に影響されますよね。
それと同じじゃないんですか？

＞なお、水車を動かすためには、力でなくエネルギーが必要で、水の場合は　水圧×流量×時間　(流量は水路断面積×流速)になります。

あ、もしかしたら、流量の意味が僕とは違うのかもしれませんね。
流量ではなく、水量と言うべきでしょうか。