Во всех газах еще до воздействия на них электрического напряжения всегда имеется некоторое количество электрически заряженных частиц — электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. Это могут быт заряженные частицы газа, а также заряженные частицы твердых и жидких веществ — примесей, находящихся например, в воздухе.
Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами): космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.
Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключает в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы — положительные ноны. Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии.
Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных частиц (электронов и положительно заряженных ионов) воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией.
Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы — напряженности Е электрического поля.
Под действием этих сил электроны и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе.
Ток в газе будет тем больше, чем больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля. Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно и ток в газе, возрастает.
Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой называемой вольтамперной характеристикой. Последняя показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.
Рис.82. Вольтамперная характеристика для воздуха
С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа — электронами и ионами. С дальнейшим повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ноны передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые свободные электроны и положительно заряженные ионы.
Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и
молекулами очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа. В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток
в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления (ru) газа и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, исключающих процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (ru=1020 Ом·см ) а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал (tg δ= 10-6) Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях и высоковольтных выключателях.