Men spreekt van een gasontlading als er een elektrische stroom door een gas loopt. Dit is mogelijk doordat atomen en moleculen van het gas geïoniseerd zijn, ze zijn een of meer elektronen kwijtgeraakt. Men spreekt dan van een plasma. De elektrische stroom wordt voornamelijk geleid door de elektronen. De elektronen worden in het elektrisch veld dat de gasontlading in stand houdt, in korte tijd versneld alvorens weer te botsen, en bereiken hoge energieniveaus. Botsingen van de elektronen met atomen of moleculen kunnen elektronen uit de baan van die deeltjes slaan, waardoor ze geïoniseerd worden, of waardoor de elektronen tijdelijk in een hogere baan om de atoomkern gaan draaien, ze worden aangeslagen. Het terugvallen van de elektronen naar een lagere baan gaat vaak gepaard met het uitzenden van elektromagnetische straling, vaak in het golflengtegebied van zichtbaar licht, oftewel met de uitzending van een foton. Daarom is bijvoorbeeld de bliksem voor het menselijk oog zichtbaar.


Starten van een gasontlading

Om een gasontlading op gang te brengen is een hoge elektrische veldsterkte nodig. De altijd aanwezige zeer kleine hoeveelheid geladen deeltjes, bijvoorbeeld ten gevolge van natuurlijke radioactieve straling wordt dan zodanig versneld dat ze voldoende energie krijgt om moleculen in het gas te ioniseren. Daardoor ontstaan er behalve positief geladen ionen ook vrije elektronen. De elektronen kunnen door hun kleine massa en kleine afmetingen zeer sterk versneld worden voordat ze weer tegen een atoom of molecuul botsen, en een nieuw ion-elektron paar genereren. Als de veldsterkte voldoende hoog is ontstaat een lawine-effect, waarbij steeds meer elektronen en ionen gevormd worden, en kan in de boogontlading een zeer hoge stroomdichtheid worden bereikt. Als dit lawine effect optreedt spreken we van doorslag. De hoge elektrische veldsterkte nodig voor het starten van de gasontlading kan worden bereikt door een elektrische hoge spanning (bijvoorbeeld een bobine bij de bougies van een auto) of door de afstand tussen de elektroden waartussen de ontlading plaatsvindt te verkleinen (bij elektrisch lassen). Als de doorslag eenmaal heeft plaatsgevonden zal de spanning over de boog meestal sterk dalen, als er een externe stroombegrenzing is. Als deze niet of beperkt aanwezig is zal de stroomsterkte zeer sterk toenemen.


In stand houden van een gasontlading

Omdat alle positief geladen deeltjes (de ionen) zich naar de negatieve pool (de kathode) van de gasontlading begeven en de negatief geladen elektronen naar de positieve pool (de anode), zouden uiteindelijk alle geladen deeltjes verdwijnen. Voor continue ontladingsprocessen zoals in gasontladingslampen, moeten er daarom voortdurend geladen deeltjes vanuit een van de polen geleverd worden. Meestal zijn dit elektronen, die uit de kathode worden getrokken door elektronen-emissie, waarbij elektronen uit het metaal van de elektrode kunnen ontsnappen door de elektrische veldsterkte. Dit ontsnappen gaat gemakkelijker als de elektronen een hogere snelheid hebben in het metaal, en dat is het geval als het metaal een hoge temperatuur heeft. Verder kunnen er zogenaamde emitter-materialen op de elektroden worden aangebracht, waardoor meer elektronen bij relatief lage temperatuur uit het metaal naar het gas kunnen ontsnappen. Het verband tussen elektrodetemperatuur en het aantal elektronen dat uit de elektrode kan worden onttroken wordt gegeven door de Richardson-Dushman vergelijking. Een zogenaamde glimontlading heeft een veel lagere stroomdichtheid. Door het sneeuwbaleffect bij een boogontlading, waarbij voortdurend nieuwe ionen en elektronen gevormd worden is bij een continu verlopende gasontlading een externe stroombegrenzing nodig, bijvoorbeeld in de vorm van een voorschakelapparaat. Er stelt zich dan een evenwichtssituatie in, waarbij de ionisatiegraad van het gas constant blijft.