Bình thường, đa số phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà, chỉ có một số rất ít phân tử khí bị ion hoá do tác dụng của chuyển động nhiệt, hoặc do tác dụng của tia vũ trụ và tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời,... Do đó số hạt tải điện trong chất khí ở điều kiện bình thường là rất ít, không đủ để tạo ra dòng điện có thể đo được.
Khi đốt nóng mạnh chất khí, các phân tử khí bị ion hoá và tạo ra một số lớn các hạt tải điện. Nếu giữa hai điện cực anôt và catôt không có hiệu điện thế (U = 0) thì trong chất khí không có điện trường và các hạt tải điện chuyển động hỗn loạn, không tạo ra dòng điện. Khi giữa anôt và catôt có hiệu điện thế (U 0) thì trong chất khí có điện trường, nên ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, các hạt tải điện có thêm chuyển động định hướng về các điện cực, tạo thành dòng điện I chạy qua chất khí.
- Với U > 0 và nhỏ : điện trường trong chất khí chưa mạnh nên chí có một số ít chuyển động về anôt, nên cường độ dòng điện I nhỏ. Khi u tăng dần thì số électron chuyển động từ catôt về anôt sau mỗi giây càng nhiều thêm, do đó dòng điện I cũng tăng dần và tí lệ với U.
- Với U > 0 và đủ lớn : điện trường trong chất khí đủ mạnh, nên toàn bộ électron xuất hiện ở catôt sau mỗi giây đều chuyển động hết về anôt. Khi đó mặc dù U tăng, nhưng dòng điện I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi, gọi là dòng điện bão hoà
- Với các giá trị U > 0 và quá lớn : điện trường trong chất khí quá mạnh nên các électron được gia tốc rất mạnh và có động năng rất lớn. Các électron này có thể ion hoá các phân tử khí khi va chạm với chúng trên đường đi từ catôt đến anôt (còn gọi là ion hoá do va chạm), làm tăng mật độ hạt tải điện lên rất nhanh theo hiện tượng nhân số hạt tải điện. Trong giai đoạn này, dòng điện I tăng vọt rất nhanh theo U.
