Различные материалы по-разному проводят электрический ток. Проводимость всякого материала зависит от количества находящихся в нем свободных, электрически заряженных частиц, переносящих электрические заряды,- электронов и ионов, а также от того, с какой скоростью эти носители электрических зарядов перемещаются. Следовательно, чем больше в материале имеется носителей зарядов и чем они подвижнее, тем меньше его сопротивление.
Газы (в том числе и воздух) при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что в обычных условиях они состоят из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Они могут стать электропроводными в том случае, если в своем составе будут иметь электроны, положительные и отрицательные ионы.
Электроны, положительные и отрицательные ионы в газах возникают при воздействии на них электрического поля, теплоты, при прохождении через газ ультрафиолетового, рентгеновского или космического излучения, а также лучей, испускаемых радиоактивными веществами. Прохождение электрического тока через газы называется электрическим газовым разрядом.
Процесс образования электронов и ионов называется ионизацией, а газ, содержащий электроны и ионы, ионизированным. При прохождении электрического тока через газовый промежуток положительные ионы стремятся к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные - к положительному (аноду). При движении некоторые ноны и электроны, сталкиваясь между собой, нейтрализуются и образуют нейтральные атомы и молекулы. Процесс образования нейтральных атомов и молекул называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия в форме электромагнитного излучения.
В электрическом газовом разряде при бомбардировке поверхности отрицательного полюса электрода (катода) ионами, воздействии на эту поверхность электромагнитного излучения, влияния высокой температуры и приложении электрического поля с поверхности страдательного полюса (катода) во внешнюю среду выходят электроны. Излучение с поверхности отрицательного полюса электронов во внешнюю среду называется электронной эмиссией. При дуговом разряде происходит образование ионов - ионизация газов с обратимым процессом - рекомбинацией и имеет место электронная эмиссия.
Потенциалы ионизации и возбуждения. На освобождение электрона от связи с атомным ядром, вследствие чего и происходит образование положительного иона, необходимо затратить определенное количество энергии. Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называется работой ионизации. Работа ионизация, выраженная в электронвольтах, называется потенциалом ионизации (электронвольт - единица энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 В). Если сообщить связанному электрону газовой молекулы или атома некоторое количество дополнительной энергии, то электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии. Количество энергии, выраженное в электронвольтах, которое необходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа, называется потенциалом возбуждения. Возбужденное состояние атома иди молекулы газа является неустойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдет в нормальное невозбужденное состояние. Энергия возбуждения при этом передается в окружающее пространство в форме светового электромагнитного излучения.
Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Наименьший потенциал ионизации (3,9 эВ) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 эВ) наблюдается у газа гелия. У щелочноземельных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром невелика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следовательно, на возбуждение и работу выхода электрона потребуется затратить меньше энергий, чем у железа, марганца, меди и никеля. Элементы, имеющие меньшие потенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется работой выхода электрона и выражается в электронвольтах.