水流モデル
シンプルなボール型チェックバルブ。開いた状態のバルブはダイオードのオン状態のように動作する。
圧力駆動バルブと一方通行のチェックバルブを組み合わせたものは(電界効果型)トランジスタとして動作する。
チェックバルブと同じく、ダイオードは望まない方向への流れをせき止める。正しい方向への流れはほとんど影響を受けない。
周期的な流れを作るポンプ、「ダイオード」バルブ、「コンデンサ」タンクからなる単純な交流回路。
ダイオードは一方通行のチェック弁に若干の漏れのあるバルブシートがついている状況と対応する。ダイオードと同様、バルブを開くには小さな圧力差が必要である。またダイオードと同じく、逆バイアスをかけすぎれば、バルブの損傷や破壊につながる。
トランジスタは小流量のシグナルによって制御されるバルブである。シグナルはバイポーラトランジスタでは一定の電流であり、FETでは一定の電圧である。シグナルに相当する流れはダイアフラムを通じてプランジャーを動かし、別のパイプのバルブを作動させて流れを制御する。
CMOSは2つのMOSFETを組み合わせたものである。入力圧力の変化により、ピストンが出力にゼロまたは正圧を接続する。
メモリスタは流量計によって制御されるニードルバルブである。順方向に水が流れると、針状のバルブが流れを絞るように動く。一方で逆向きに水が流れると、バルブが開いて抵抗を小さくする。
導線:単純なパイプ。
抵抗:細くなったパイプ。
キルヒホッフの第1法則における節点:T字管。
太いパイプに水を満たしたものは導線に相当する。導線に例える場合は、パイプの両端にキャップがついていると考える。導線の片方の端を回路に接続することは、パイプの片方の端のキャップを外して別のパイプに接続したことに相当する。高圧電源に接続したような少数の例外を除き、片方の端だけ導線を回路に接続しても何も起こらない。他方の端にはキャップがついたままなので、回路には何も流れない。
抵抗は細くなったパイプに相当する。細いパイプでは、同量の水を通すにもより強い圧力を必要とする。いかなる導線にも電流に対する抵抗があるように、すべてのパイプもまた、水が流れる時に抵抗がある。
キルヒホッフの法則におけるノード(接点)はパイプの分岐に相当する。分岐に正味で流入した量と同じだけ流出がある。
コンデンサ:柔軟なダイアフラムで仕切られたパイプ。
コイル:流れの中に設けられた重い水車もしくはタービン。
電圧源(電流源):フィードバック制御されたポンプ。
水流モデルにおけるコンデンサは、両端がそれぞれパイプにつながったタンクで、タンク内がゴムシートで分割されている(油圧アキュムレータ)状況に相当する。
このモデルを構成する方法は1通りではない。大別して重力によって圧力を生み出すモデルと、ポンプによって圧力を生み出すモデルがある。
重力における圧力では、大きな水タンクを複数用意して、片方を高所におくか、水位を異なるようにするなどして、水頭の位置エネルギーを圧力元とする。このモデルでは電位が重力ポテンシャルと等価である強みがある。
第2の方法は、圧力を生み出すポンプを用いて、重力は用いないものである。こちらは回路の電源が明確になり、回路を完成させられる点において有利である。この方法については、次節で検討する。
その他の方法でも、流体の流れを扱う方程式と電荷の流れを扱う方程式の類似性に準拠している。流量と圧力は定常の場合でも非定常の場合でも、水流のインピーダンスから計算できる。水流のインピーダンスは、水圧と体積流量の比として定義される。このとき、圧力と流量はフェーザ表示で扱われるため、大きさと共に位相も持つ。
音響学においては、水流モデルの変種として、圧力と音速の関係を音響インピーダンスと定義するものが使われている。この方法では、穴を1つ開けた大きなキャビティ(空洞)はコンデンサに類似する。圧力が時間に依存して大気圧と異なる場合、キャビティに圧縮エネルギーが蓄えられる。穴(あるいは長い管)は空気の流れの運動エネルギーを蓄えるインダクタに類似する。
回路によるモデルは、磁気ミラー中でのプラズマの流体力学的不安定性のフィードバック安定化をモデル化するためにも使用された。この応用は、極板への電圧印加によってプラズマを中心に維持するためのものである。乱流および非線形効果が存在していることを除けば、プラズマは(アナロジーではなく)本当の電気回路を作ると考えられる。