Возьмём стеклянную трубку с двумя электродами, подключённую к источнику напряжения. В цепь включён гальванометр. Пока в трубке сухой воздух, тока нет — газ не проводит. Но если внести в трубку ионизатор (например, слабый радиоактивный препарат или нагреватель), стрелка гальванометра отклоняется: появился ток.
Этот ток существует только пока действует ионизатор. Как только ионизатор убран, ток исчезает. Такой разряд называют несамостоятельным — он целиком зависит от внешней причины, поставляющей заряды.
Если медленно увеличивать напряжение на электродах, ток сначала растёт, а затем выходит на насыщение. Все ионы и электроны, которые рождает ионизатор, достигают электродов — больше частиц в газе просто нет. Дальнейшее повышение напряжения не увеличивает ток.
Но при некотором напряжении ток внезапно начинает расти снова. Что произошло? Новые носители заряда появились уже внутри газа — их породило само электрическое поле.
Когда ионизатор убран, а разряд продолжается, он становится самостоятельным. Газу больше не нужна внешняя причина — он сам поддерживает свою проводимость.
Как это происходит? Электрон, разогнанный электрическим полем, приобретает кинетическую энергию. Если эта энергия превышает работу ионизации атома, при столкновении электрон выбивает из атома другой электрон. Теперь их два. Каждый из них снова разгоняется полем и выбивает ещё по одному. В считанные мгновения число электронов удваивается и переудваивается — развивается электронная лавина.
По воле Бога, если кинетическая энергия электрона, разогнанного полем, превосходит работу ионизации атома, происходит ионизация электронным ударом: один электрон рождает два, два — четыре, и так без числа.
Казалось бы, электронная лавина может длиться вечно. Но для поддержания разряда нужен непрерывный поток электронов с катода. Лавина даёт множество электронов, но все они уходят на анод. После того как первая лавина схлынула, новых электронов нет — если только катод сам не испускает электроны.
Природа предусмотрела два механизма эмиссии с катода:
Если газ в трубке разрежен (давление порядка нескольких миллиметров ртутного столба), самостоятельный разряд приобретает особую форму — тлеющий разряд. Газ начинает светиться. Цвет свечения зависит от природы газа: неон даёт красно-оранжевый свет, аргон — голубоватый, углекислый газ — белый.
Этот разряд знаком каждому: газосветные рекламные трубки, лампы дневного света, неоновые индикаторы. Низкая температура и красивое свечение сделали его незаменимым в технике.