Plyny jsou tvořeny elektricky neutrálními molekulami. Proto jsou za normálního tlaku a teploty velmi dobrými izolanty a jejich elektrická vodivost je zanedbatelná. Aby v plynu vznikl elektrický proud, musí být splněny stejné podmínky jako u ostatních látek. Plyn musí obsahovat volné částice s nábojem a musí být v elektrickém poli. Za těchto podmínek plyn vede elektrický proud a děje, které v něm probíhají, označujeme jako výboj v plynu.
Joseph John Thomson.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Nosiči nábojů v plynu jsou kladné ionty, záporné ionty a elektrony, které vznikají při ději zvaném ionizace plynu. Tento způsob vedení elektřiny v plynech vysvětlil Joseph John Thomson a jeho žáci, zejména Ernst Rutherford. Příčinou ionizace plynu může být vysoká teplota, působení ultrafialového nebo radioaktivního záření na molekuly plynu. Při ionizaci se z elektricky neutrální molekuly uvolňují elektrony a zbytek molekuly tvoří kladný iont. Elektrony se mohou zachytit na neutrálních molekulách a vznikají záporné ionty. Energii potřebnou k odtržení elektronů dodávají ionizátory. Tato ionizační energie se obvykle udává v elektronvoltech (1 eV = 1,6 · 10–19 J). Vzduch je vždy alespoň částečně ionizován účinkem kosmického záření a radioaktivity zemské kůry. Běžně vzniká v 1 cm3 vzduchu každou sekundu přibližně 10 kladných iontů a elektronů. Jakmile přestane působit ionizační činidlo, spojí se takřka ihned ionty kladné se zápornými na neutrální molekuly a vodivost plynu zmizí.
Ernst Rutherford.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Současně s ionizací plynu probíhá opačný děj – rekombinace iontů. Ionty s opačným nábojem, popř. kladné ionty a elektrony, se spojují a vznikají opět neutrální molekuly plynu. Přestanou–li na plyn působit vlivy, které vedou k ionizaci, nosiče náboje zanikají a plyn se stává nevodivým. Když naopak ionizace plynu trvá, nastane rovnovážný stav mezi ionizací a rekombinací. Počet nosičů proudu je pak relativně stálý a tomu odpovídá určitá elektrická vodivost plynu.
Na ionty v elektrickém poli působí elektrické síly, které jsou příčinou uspořádaného pohybu iontů. Tento pohyb však není jednoduchý. Působením elektrické síly iont koná zrychlený pohyb, zvětšuje se jeho rychlost, a tedy i energie. Poněvadž se urychlené ionty pohybují v prostředí, v němž jsou i neutrální molekuly, dochází k jejich vzájemným srážkám. Ionty předávají při srážkách molekulám energii, která má za následek ionizaci molekul. Nastává ionizace nárazem. Tak vznikají další nosiče proudu, vodivost plynu se zvětšuje a plynem prochází větší proud.
Podle podmínek, za nichž plynem prochází proud, rozlišujeme nesamostatný výboj plynu, který nastává v případě, kdy je ionizace plynu vyvolána vnějším působením. Jestliže toto působení zanikne, zanikne i výboj v plynu a samostatný výboj plynu, který je podmíněn ionizací nárazem a udrží se i bez vnějšího působení.
Při dostatečně vysokých teplotách probíhá v plynu převážně ionizace nárazem a plyn přechází do nového stavu označovaného jako plazma – částečně nebo zcela ionizovaný plyn, v němž je hustota kladných a záporných iontů prakticky stejná. Proto se plazma jako celek jeví elektricky neutrální. Podobu plazmatu má především látka ve vesmíru, která se nachází nejen v mezihvězdném prostoru, v němž má velmi malou hustotu (průměrně méně než jeden atom na cm3), ale tvoří nitro Slunce a hvězd. Naše Země je obklopena vrstvou ionizovaného plynu, označovaného jako ionosféra.
