В обычном состоянии все газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул. Например, в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится «всего» около миллиарда подвижных заряженных частиц (ионов и свободных электронов), но это составляет лишь 0,000001 % от общего числа частиц этого объёма воздуха. Такой малой доли подвижных частиц, способных переносить заряды, недостаточно для возникновения сколь-нибудь заметного электрического тока.
Чтобы газ стал электропроводящим, в нём необходимо создать гораздо больше свободных заряженных частиц, превратив нейтральные молекулы (атомы) в ионы. Как добиться этого? Это можно сделать двумя путями: «внешним», когда заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего источника (его называют ионизатором), либо «внутренним», когда они создаются в газе действием того же самого электрического поля, которое затем приведёт их в движение и создаст электрический ток.
Интенсивная ионизация молекул или атомов может происходить по разным причинам, и главные из них таковы: а) сильное электрическое поле; б) высокая температура; в) радиоактивное или ультрафиолетовое излучение. При этом происходит образование свободных электронов и ионов. В зависимости от вида газа, его давления и температуры, а также от напряжения между электродами, находящихся в газе, могут возникать различные виды разряда в газе (этот термин означает «стекание» зарядов с электродов, подводящих напряжение, в область, занятую газом).
Искровой разряд возникает при высоком напряжении (несколько киловольт) при давлении порядка атмосферного. При этом возникает «канал» сильно ионизированного газа, по которому и распространяется ток. При этом газ в канале сильно нагревается, резко возрастает его давление, и, расширяясь, газ создает звуковые волны, вызывающие треск (если искра малых размеров) или гром (если искра в виде молнии). На фото вы видите искровой разряд между электродами электрофорной машины. Искровой разряд происходит также и при сверкании молнии. Он сопровождается ярким свечением и громким звуком, возникающим вследствие расширения сильно разогретого воздуха в канале молнии, а также излучением электромагнитных волн различных частот (радиоволны, ифракрасное и ультрафиолетовое излучения).
Искровой разряд применяется для искровой обработки металлов, зажигания горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, в бытовых «зажигалках».
Коронный разряд возникает, если давление газа близко к атмосферному, и есть сильное неоднородное электрическое поле. Оно существует вблизи заострённых частей проводников, подключенных к высоковольтным источникам тока, а также находящихся во влажном атмосферном воздухе во время грозы. На фотографии показан коронный разряд вокруг листа растения, находящегося в высокочастотном электромагнитном поле.
Коронный разряд сопровождается слабым свечением и небольшим шумом. Такое свечение иногда появляется на концах корабельных мачт, и известно как «огни святого Эльма». Особенно нежелательно возникновение этого разряда вокруг проводов высоковольтных ЛЭП, так как он приводит к потерям электрической энергии. Для предотвращения этого применяют расщепление проводов ЛЭП (на 2, 3, 5, 8 параллельно идущих проводов, разнесённых друг от друга на 40-50 см и удерживаемых изоляционными распорками).
Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки газов. Трубка, заполненная дымом, внезапно делается совершенно прозрачной, если внести в неё острые металлические электроды, соединенные с высоковольтным истоником тока. Если продувать через трубку струю дыма или пыли, выходящая струя воздуха станет совершенно чистой, а все мелкие частицы, содержащиеся в газе, будут осаждаться на электродах.
Дуговой разряд возникает, если металлические или угольные электроды, которые присоединены к полюсам источника постоянного напряжения, сначала соединить, а потом развести на небольшое расстояние. При достаточно большой напряженности поля меду электродами появляется светящаяся дуга раскалённого и поэтому высокоионизированного газа. Дуговой разряд сопровождается сильным нагреванием газа (до нескольких тысяч градусов), поэтому концы электродов и сама дуга испускают ослепительный свет. КПД превращения электроэнергии в свет намного выше, чем у наилучших ламп накаливания. Поэтому там, где требуются очень мощные и яркие источники света, например в прожекторах, дуговой разряд применяется очень часто.
Дуговой разряд применяется для сварки металлических деталей, для выплавки сталей и сплавов. При этом лицо сварщика или рабочего сталелитейного производства должно быть закрыто толстым тёмным стеклом, чтобы ультрафиолетовое излучение, испускаемое дугой, не повредило глаза и кожу. В мировой промышленности около 90% инструментальной стали выплавляется именно в дуговых электропечах.
Тлеющий разряд возникает, если давление газа низкое (от сотых долей до нескольких мм.рт.ст.) и напряжение на электродах порядка нескольких сотен вольт. Он представляет собой слабое свечение газа, заметное только в тёмном помещении или в тёмное время суток. Тлеющий разряд применяется в светящихся трубках рекламы, заполненных неоном, аргоном, в лампах дневного света. Важнейшее современное применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света – газовых лазерах.
