電車は何で走っていますか？

電車 何で走る？電気モーターとエンジンの違い

電車 何で走る仕組みなのか正しく理解すると、鉄道の驚くべきエネルギー効率の高さが見えてきます。効率的な走行方法を知ることは、環境への影響を考えるきっかけになります。燃料の種類や動力源の違いについて、正しい知識を深めるために詳細を確認しましょう。

電車の動く仕組み：電気とモーターの基本

電車は電気で動く乗り物です。発電所で作られた電気は変電所を通り、線路の上にある「架線（かせん）」と呼ばれる電線に送られます。電車の屋根にある「パンタグラフ」という装置が架線に接触し、電気を受け取ります。その電気でモーターを回し、車輪を駆動させることで電車は走ります。この一連の流れは、すべての電気鉄道で共通する基本構造です。

実は電気モーターはとても効率がよく、エネルギーを動力に変える変換効率は90%以上に達します。日本の鉄道では、全体の約68%が電化路線です。残りの32% ^[2] は主に地方の非電化区間で、後述するディーゼルカーなどが活躍しています。電気が通っている線路に触れると感電する危険がありますが、架線や第三軌条は一般的な人の手が届かない高さや位置に設置されているため、通常の利用で危険はありません。

電気はどこから来るの？：架線とパンタグラフの役割

電車が走るための電気は、専用の電線である「架線」から供給されます。電車の屋根にあるパンタグラフは、ばねの力で常に架線に押し付けられており、走行中も安定して電気を取り込むことができます。パンタグラフは「集電装置」の一種で、新幹線や在来線のほとんどの電車に採用されています。

電気はパンタグラフからモーターへと流れ、モーターが回転することで車輪が動きます。ここで面白いのは、電気は「行き」だけでなく「帰り」の回路も必要だということです。電車に流れ込んだ電気はモーターを回した後、車輪とレールを通って変電所に戻ります。つまりレールも電気回路の一部なのです。だからこそ、線路に立ち入ると感電の危険があるのです。

直流と交流：電車によって電気の種類が違う

日本の電車に使われる電気には、大きく分けて「直流（DC）」と「交流（AC）」の2種類があります。直流は主に都市圏の在来線で使われ、電圧は1500Vが標準です。交流は主に新幹線や東北・北陸など長距離を走る在来線で採用されており、電圧は20,000Vや25,000Vと高くなります。交流は長距離送電に適しているため、広域をカバーする路線で有利です。

地下鉄には電線がないのになぜ走る？：第三軌条方式

地下鉄のトンネル内では、架線を設置すると高さの制約から安全面で問題があります。そこで一部の地下鉄では「第三軌条（だいさんきじょう）」方式を採用しています。これは線路の脇に電気を通す第3のレールを設置し、電車の側面から「コレクターシュー」という装置で電気を取る方法です。東京メトロの銀座線・丸ノ内線や大阪メトロの御堂筋線など、国内の主要な地下鉄路線でこの方式が採用されています。

第三軌条の電圧は一般的に750Vで、架線方式より低いですが、電流を多く流すことで十分な出力を得ています。第三軌条は線路脇にあるため、人が不用意に触れると感電する危険があります。そのため駅のホームなどでは「危険」を示す表示や黄色いラインで注意喚起しています。

電気がない場所ではどうするの？：ディーゼルカーとハイブリッド

日本全国すべての路線が電化されているわけではありません。地方のローカル線や山間部の路線では、架線がなく、ディーゼルカー（気動車）が走っています。ディーゼルカーは軽油を燃料とするエンジンで発電機を回し、その電気でモーターを動かす「ディーゼルエレクトリック方式」が主流です。エンジンの熱効率は約35%前後ですが、近年はハイブリッドシステムを搭載した車両も増えており、燃費が従来比で20%以上改善された例もあります。 ^[3]

さらに最近では、架線のない区間を蓄電池だけで走る「蓄電池電車」や、架線区間と非架線区間をシームレスに走れる「ハイブリッド電車」も登場しています。JR東日本の「EV-E301系」や「HB-E210系」が代表例で、架線から充電した電気で走行することで、ディーゼル車に比べて騒音や排気ガスを大幅に削減しています。

歴史的な動力：蒸気機関車とその仕組み

現代の電車とは異なり、昔の鉄道は蒸気機関車が主流でした。蒸気機関車は石炭を燃やして水を沸騰させ、発生した蒸気の力でピストンを動かし、その力で車輪を回していました。1960年代までは日本の鉄道の主役でしたが、現在では観光用や保存運転以外ではほとんど見られなくなりました。

蒸気機関車の熱効率はわずか6〜8%程度と非常に低く、石炭の大量消費や煙による環境負荷が大きかったことが電化やディーゼル化を進めた主な理由です。一方で、その力強い走りと文化的価値から、今も多くのファンに愛されています。^[4]

電車の種類による比較：動力方式の特徴

電車の動力方式を比較する

電気（電車）

走行中に排気ガスを出さない。発電所の排出量に依存するが、再生可能エネルギー比率が上がればさらにクリーン

都市部の通勤・通学、新幹線、ほとんどの在来線

発電所で作られた電気（架線または第三軌条から供給）

モーターの効率は90%以上と非常に高い。発電所までのロスを含めても全体効率は30～40%程度

ディーゼル（気動車）

二酸化炭素や窒素酸化物を排出する。最新車両は排ガス規制に対応

非電化ローカル線、観光列車

軽油（エンジンで発電しモーターを駆動する方式が主流）

エンジンの熱効率は約35%。ハイブリッド化で20%以上向上した例もある

蒸気機関車

石炭燃焼による煤煙、二酸化炭素の排出量が多い

現在は観光用・保存運転が中心

石炭（水を沸騰させて蒸気を作る）

熱効率は6～8%と極めて低い

山田さんが気づいた「線路にも電気が流れている」

山田さんは東京に住む会社員。毎日、JR山手線で通勤しているが、電車がなぜ動くのか考えたことはなかった。ある日、駅のホームで「危険！線路に立ち入らないで」という看板を見て、ふと「線路に電気が流れているのでは？」と疑問に思った。

インターネットで調べると、電車の電気は架線からパンタグラフで取り、使った後はレールを通って変電所に戻るという回路があることを知った。「なるほど、だから線路に触ると危険なのか」と納得した。

翌週、彼は仕事で地方出張に行き、非電化区間のディーゼルカーに乗った。架線がないのに走る列車に最初は戸惑ったが、車内アナウンスで「ディーゼルエンジンで発電しモーターで動いています」と知り、「電車の仕組みは地域によって全然違うんだ」と感心した。

その後、山田さんは鉄道に興味を持ち、休日にはわざわざ第三軌条方式の地下鉄に乗ってコレクターシューを探したり、保存されている蒸気機関車を見に行くようになった。今では「電車はただ乗るだけのものじゃない」と友人に話すほど、鉄道ファンに変身した。