I gas in condizioni normali sono dei dielettrici, cioè degli isolanti, ciascuno caratterizzato da un valore di rigidità dielettrica. Ciò accade perché i gas sono costituiti quasi esclusivamente da atomi o molecole neutri. Solo se sono presenti degli ioni il gas diventa un conduttore. Il meccanismo che produce ioni in un gas in condizioni neutre è detto ionizzazione ed essa può essere ottenuta in vari modi, ad esempio, portando il gas ad alta temperatura con una fiamma, irraggiandolo con sostanze radioattive o con raggi X, sottoponendolo a un intenso campo elettrico, come quello che si ha vicino ad una punta carica.

Se si ionizza, per esempio, l'aria a pressione ambiente presente tra le armature di un condensatore piano irraggiandola con raggi X, quando si applica alle armature una tensione V, nasce una corrente costituita da un moto di ioni positivi verso l'armatura negativa e di ioni negativi verso quella positiva. Studiando la relazione che intercorre tra V e l'intensità I della corrente, si ha che per piccoli valori di tensione l'andamento è praticamente rettilineo. Infatti aumentando V, cresce il campo elettrico e con esso la velocità degli ioni. Tuttavia, al crescere della tensione, si arriva a un certo punto in cui la corrente cresce meno che proporzionalmente, tendendo a un valore costante I₀ detto corrente di saturazione. Del resto è ovvio che il numero delle cariche che attraversano una sezione in un dato tempo non può superare il numero di quelle create dall'agente ionizzante nello stesso tempo e ciò spiega il limite I₀ per la corrente.

Continuando a far aumentare la tensione, si nota poi un fenomeno interssante e cioè che per un certo valore V' della tensione la corrente I sale bruscamente. Quanto detto trova spiegazione nel fatto che l'alto campo elettrico che si ha in queste condizioni conferisce a una carica (elettrone o ione), nel tempo che intercorre tra due urti consecutivi, l'energia sufficiente a ionizzare per urto una molecola neutra del gas. Gli ioni e gli elettroni prodotti in questo modo vengono a loro volta accelerati dal campo elettrico e possono perciò ionizzare altre molecole neutre e così via. In altre parole si ha un «processo a valanga», in cui la ionizzazione del gas cresce notevolmente. In queste condizioni la corrente non è più determinata dall'azione dell'agente ionizzante, bensì dal campo elettrico.

La scarica a valanga appena descritta si manifesta ogni volta che tra due elettrodi si stabilisce una differenza di potenziale (d.d.p.) sufficientemente elevata o, meglio, quando il campo raggiunge un certo valore E caratteristico del gas. Ad esempio, nel caso dell'aria secca questo valore è di circa 3x10⁴ V/cm. Per innescare il processo, bastano i pochi ioni che sono sempre presenti nell'atmosfera. Questi ioni vengono prodotti essenzialmente dall'urto di particelle subatomiche veloci, provenienti dagli spazi interplanetari (raggi cosmici), con le molecole dell'aria. Sul fenomeno della scarica a valanga si basa per esempio il funzionamento dei depuratori elettrostatici.

I fenomeni descritti poch'anzi avvengono a pressione ordinaria, ma ve ne sono altri molto interessanti che si manifestano nei gas a bassa pressione come quello, importante per le numerose applicazioni pratiche, per cui sotto particolari condizioni la corrente che attraversa un gas rarefatto lo rende luminoso. Questo fatto può essere studiato sperimentalmente mediante un tubo di vetro chiuso della lunghezza di circa mezzo metro che reca in corrispondenza delle due estremità due elettrodi tra i quali viene applicata una d.d.p. di svariate migliaia di volt, mentre la pressione del gas al suo intrerno può essere regolata al valore desiderato mediante una pompa (Ovo elettrico).

Alla pressione ambiente la corrente nel tubo rimane molto piccola ed è dovuta ai pochi ioni sempre presenti nell'aria. Quando però la pressione nel tubo viene sufficientemente ridotta (minore di 10 mmHg), si ha un incremento della corrente accompagnata da una scarica luminosa filiforme che collega i due elettrodi. Nell'aria la scarica è rosa, ma in altri gas ha colori diversi (ad esempio: nel neon è rossa, nell'argon blu-verde). Abbassando ulteriormente la pressione, la luminosità si espande in tutto il tubo (scarica a bagliore). I tubi delle insegne luminose funzionano in queste condizioni, utilizzando gas diversi a seconda del colore voluto.

Per capire il meccanismo della scarica a bagliore si deve considerare che in vicinanza del catodo (l'elettrodo negativo) si ha un elevato campo elettrico. Se la pressione è dunque sufficientemente bassa, nel muoversi verso il catodo gli ioni positivi non subiscono urti in questa regione e perciò lo raggiungono con un'elevata energia cinetica. Urtando contro il catodo, tali ioni espellono elettroni che, fortemente accelerati dal campo elettrico, si spostano verso l'anodo, cioè l'elettrodo positivo. Questi elettroni, urtando gli atomi del gas, producono nuovi ioni, mantenendo con ciò le condizioni necessarie al perdurare della scarica. La luminosità osservata è dovuta al fatto che, oltre a essere ionizzati, gli atomi vengono eccitati dagli elettroni, ricevono cioè da questi una certa energia che poi riemettono sotto forma di luce. Se però la pressione è troppo bassa, la scarica scompare perché non può prodursi una sufficiente quantità di ioni nel tubo.

Ma quando la pressione nel tubo viene abbassata fino a valori dell'ordine di 10^-4 mmHg, il tubo di vetro di fronte al catodo manifesta una luminosità (fluorescenza) verde-viola e sullo sfondo del tubo luminescente appare l'ombra del catodo, proprio come se esso fosse una debole sorgente di luce. La luminescenza del tubo è dovuta a particolari raggi emessi dal catodo e che per questo vengono chiamati raggi catodici. Questi raggi causano non solo la luminescenza del vetro, ma anche di altre sostanze. Per esempio, il gesso emette un bagliore rossastro, il solfuro di zinco verde. Una caratteristica fondamentale dei raggi catodici è che vengono deflessi da un campo magnetico poiché altro non sono che elettroni liberati dal catodo dagli urti degli ioni del gas presenti nel tubo.