Как зависит сила тока (I) в ионизованных газах, сила тока электронов, выбитых из металла, и сила тока в металлах от разности потенциалов(U), поддерживаемой на концах этих элементов цепи? Рассмотрим этот вопрос.
Начнем со случая ионизованных газов. Экспериментальная установка показана на рис. Две параллельные металлические пластины соединены с источником регулируемого напряжения; чувствительный амперметр включен в один из соединительных проводов. Пластины находятся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, и пространство между ними заполнено исследуемым газом. Когда ионизующее излучение (рентгеновские лучи или лучи от радиоактивного источника) проходит через газ, амперметр показывает наличие тока. Рис. дает зависимость I от U между металлическими пластинами в одном из таких опытов. В данном опыте использовался аргон при атмосферном давлении и излучение от препарата радия. При увеличении U между пластинами сила тока сначала быстро увеличивается, затем увеличивается медленнее и в конце концов достигает некоторого предельного значения, называемого током насыщения.
Ток насыщения достигается, когда все образующиеся ионы отсасываются из газа электрическим полем, и осаждаются на соответствующих пластинах. Для однозарядных ионов, которые и образуются в аргоне, ток ионизации (выраженный числом элементарных зарядов в секунду) равен числу положительных ионов, достигающих отрицательного электрода за секунду (это число такое же, как число отрицательных ионов — в данном случае электронов,— достигающих положительного электрода). Следовательно, ток насыщения является мерой общего числа пар ионов, образующихся в газе между пластинами за секунду.
Почему, когда разность потенциалов между пластинами мала, сила тока меньше силы тока насыщения? Поле, движущее ионы к пластинам, слабее, и ионы движутся к пластинам медленнее. Хотя они постепенно и продвигаются к пластинам, все же вследствие хаотического теплового движения и случайных столкновений положительных и отрицательных ионов они движутся во всех направлениях. Время от времени ионы даже соединяются, образуя нейтральный атом. Если направленное движение ионов к пластинам очень медленное, многие положительные и отрицательные ионы воссоединяются («рекомбинируют»), не достигая пластин.
При увеличении U между пластинами намного выше значения, необходимого для тока насыщения, обнаруживается, что I начинает опять увеличиваться. В этом случае при небольшом увеличении U I возрастает до очень большой величины. При этих U газ между пластинами светится, и часто наблюдается потрескивание. То, что мы наблюдаем на этой стадии, зависит в сильной степени от давления, природы газа и расстояния между электродами. При низких давлениях ток и свечение более или менее постоянны. При атмосферном же давлении наблюдаются прерывистые искры.
Газовые разряды очень сложны, но основную причину наблюдаемых явлений мы сможем понять. Электрическое поле ускоряет положительные и отрицательные ионы ионизованного раза в противоположных направлениях. Каждый ион набирает энергию до тех пор, пока не столкнется с молекулой газа. В среднем при этих столкновениях ионы теряют избыточную энергию, приобретенную со времени предыдущего столкновения. Эта энергия переходит в тепловую энергию газа. Газ нагревается.
Положение, однако, меняется в случае очень сильного электрического поля. Тогда за короткое время между столкновениями некоторые ионы приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы разрушать молекулы газа, с которыми они сталкиваются.

Образующиеся осколки молекул представляют собой новые ноны, которые тоже ускоряются электрическим путем. Они в свою очередь способны разрушать молекулы газа, встречающиеся на их пути. Так образуется лавина размножающихся ионов. Газ внезапно приобретает огромную электрическую проводимость, и наблюдается внезапный разряд. Используя подобные лавины, счетчики Гейгера обнаруживают отдельные заряженные частицы, превращая слабую ионизацию вдоль пути частицы в заметный электрический импульс.

Почти аналогичная зависимость между силой тока и разностью потенциалов наблюдается для электронов, вырвавшихся из нагретого куска металла . Когда U между нагретой нитью и окружающей коллекторной поверхностью (анодом) велика, получаем ток насыщения. При дальнейшем повышении разности потенциалов число электронов, летящих от нити к аноду, не изменяется, так как все электроны, вылетающие из нити за секунду при данной температуре, попадают на анод. Однако, когда U достаточно низка, I падает ниже силы тока насыщения. Очевидно, электроны, испускаемые нитью, не отлетают от нее достаточно быстро, и пока они находятся около нити, вновь испускаемые электроны отталкиваются обратно. Подробные вычисления показывают, что наблюдаемые кривые зависимости силы тока от разности потенциалов объясняются именно действием «пространственного заряда».
Если U между нитью накала и анодом уменьшить до нуля, то можно наблюдать явление, также представляющее интерес: сила тока не падает до нуля. Некоторое количество электронов продолжает достигать «анода», даже если он становится слабо отрицательным по сравнению с нитью накала. Очевидно, некоторые электроны испускаются нитью накала с достаточной кинетической энергией, чтобы дойти до анода, несмотря на замедляющую разность потенциалов. Тщательные измерения показывают, что необходимая для прекращения тока разность потенциалов — около 0,2 В). Это соответствует тепловой энергии частицы при температуре нити накала.
В качестве последнего примера зависимости между силой тока и разностью потенциалов рассмотрим металлический проводник. Здесь связь между I и U очень проста: эти две величины пропорциональны друг другу, т. е.
U=RI.
Закон, выраженный этим равенством, называется законом Ома, а коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением проводника.
Закон Ома гласит, что сила тока в металлическом проводнике пропорциональна разности потенциалов между концами проводника. Так как напряженность электрического поля в данном куске металла пропорциональна разности потенциалов на его концах, можно также сказать: сила тока пропорциональна напряженности электрического поля.