電學能以某個實際的、非微觀的模型類比嗎？

01-05

電量的理解不難。
電流也不難。
但是電壓與電功率、電阻如何解釋？
如果以水流類比，電量類比單位體積內的水量，電流類比單位體積水量通過某截面的速度，那麼其他的怎麼解釋？對於電壓、電阻甚至電功率、電感，這樣的類比很難定量，甚至是定性。
這樣的類比能否推導出並聯分流，串聯分壓？能否推導出電阻與導體的長度成正比，與截面積成正比？能否推算出串聯電路電阻越大電功率越大，並聯電路電阻越小電功率越大？

到底能不能用流體力學的方式推導電學的一些單位的定義、性質？如果可以，怎麼推導？（可以不解釋電流的磁效應。這樣講下去又到麥克斯韋方程組了。上次看完了科普。）
物理高中水平，可以列公式，但請稍作解釋。

題主是高中生，對電磁學有關的理論知識有限，我就以高中生的水準在探討這個問題。

在點電荷的基本模型中，我們學過一個很基本的知識：取一個點電荷q，設想我們對它施加一個力，讓它在另一個點電荷Q產生的電場中按任意路徑環繞一周，則外施力對此點電荷q所做的功為零。

我們拿一個小石頭，在空中按任意路徑環繞一周，則我們對此小石頭在重力場中所做的功為零。

物理學告訴我們，滿足上述條件的場叫做保守場。電場是保守場，重力場是保守場，還有彈簧作用力產生的場也是保守場。

從保守場的定義出發，我們很容易推得機械能守恆這個結論。

但值得注意的是，磁場不是保守場。因此我們在某磁場中讓一塊磁鐵按任意路徑環繞一周所做的功不等於零。

有了這些知識，我們就可以來探討題主的問題了。

水有水面高度，電有電壓值高度；水在水壓高度的作用下會從高處往低處流，電也會在電壓的作用下從電壓高處往電壓低處流動，也就是水流的流速與電流強度的大小有點類似，但類似也就到這裡為止了。畢竟這些表觀現象是保守場的特徵。

水有水的特點，電有電的特徵，它們是完全不同的兩種物理對象。

中學生特別喜歡比喻。我們來看螞蟻的社會與人類社會的異同點：螞蟻有窩，人有家；螞蟻有公有母，人有男有女；螞蟻會建立一個通道，從而形成螞蟻運動流，人則會修建道路，我們也會看見道路上的人流。但螞蟻與人類畢竟是兩種不同的生物，它們之間的類比也就到此為止了。

試想，人類社會的最小單位是家庭，螞蟻有家庭嗎？人類社會中有讀書的孩子，有運動員，有公務員，螞蟻社會中有嗎？可見，螞蟻社會與人類社會是無法相互比較的，更無法用人類社會的規律來描述螞蟻社會現象。

水與電氣現象之間的類比就如同螞蟻社會與人類社會的類比，它們的性質決定了兩者無法相互對應。因此，在探討水現象與電現象時，務必要將兩者完全分開，用各自的模型來探討，切忌相互類比。

對於中學生來說，最熟悉的莫過於歐姆定律：給定電阻R，流過電阻的電流I與載入在電阻兩端的電壓U有如下關係： U=IR。

中學生理解歐姆定律似乎是通過水來理解的。他們認為：如同水管兩端有水的壓力差，水在管道中有一定的流速，兩者的比值就是水的阻力了。但中學生可能沒有想到，在一定的範圍內水的壓強其實與水流速度的平方成正比，也即P=KV^2。顯見，這與歐姆定律反映出來的電壓、電流間的正比關係是無法等價的。

最有意思的是電容。我們知道，電容等於電量與電壓之比，即： C=Q/U。如果一定要用水來比，能比喻成什麼樣？我們看下圖：

假設水的流量Q=Vt，再除以水池高度h，水容（與電容對應，假設有這個參數存在）是否就是水池底面面積S？有點不倫不類。

由此我們得到一個結論：在任何條件下，不要用水來比喻電現象。也許這種比喻能解決一時一事，但卻會遇見無法進一步詮釋的困難，到最後就出現無法自圓其說的局面。

還是就事論事地學習電氣理論知識為好。

有篇很有意思的文章，用電學思想設計微機電和流體。

Correspondence Between Electronics and Fluids in MEMS: Designing Microfluidic Systems Using Electronics

把電流電壓什麼的和流體裡面對應起來：

還用流體等效設計了電容：

電磁閥：

二極體：

mos管：

題主的這個問法不光是開開腦洞呢，還有人正經的發了學術論文

絕對不能用水流模擬電流，因為二者性質完全不同

@Patrick Zhang

電流的本質是電荷的漂移運動，在多孔介質中流動的流體也是類似的漂移運動。做流電比擬的比較少吧……清華大學過增元院士倒是用熱電比擬發展了一套（火積）理論。有興趣可以看看。

至少流體力學是不行的。

你說可以列公式？

（逃

（其實就是本質的方程組完全不一樣啦。這是最核心最直接的解釋。）

電荷？不存在的

滑稽

水流甚至比電流還複雜的存在

個人覺得最簡單的類比是類比成一個光滑地面上的小木快，電阻相當於粘滯阻力，電感相當於質量，電容相當於彈簧連在牆上。位置類比為電量，速度類比電流，受力類比電壓。

另外如果能理解，聲學（流體）也是很好的。

百度電力聲類比

用水流比喻電流只是對初學者建立電流概念時的一種非科學性的類比方法之一。二者之間性質完全不同，僅僅是在「有某種物質在一個規定的路徑上通過」這一相似的表面現象進行類比。學習物理不能只停留於對看得見摸得著的現象的認識，要從物理過程的實質、機理去理解。

電壓就是水壓，電阻就是水流里的那些石頭，電感是給水流增加了質量。很多原理都是相通的。看固體物理。當然有些地方又是有差別的。畢竟世界上沒有完全相同的兩片葉子嘛！

我想告訴你，磁場線首先就是人類為了方便分析虛構的，而對於大多數的電學問題磁電絕不可分，現代電學以交流電為基礎，各種正弦波什麼的產生磁場變化以及為了保證基波所做的努力很多。

順便說一下，你要是跟我提直流電，老子就給你逆變成交流電再和你討論