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気体中の放電の一形式。陰電極の温度が低く、陰極前面の電圧降下によって加速された陽イオンが陰極に衝突し、電子をたたき出すことによって供給される定常放電をいう。低気圧放電において、電流が数十ミリアンペアと比較的小さいとき、典型的な形をとる。ある範囲内では、電流を変化させても、電極間の電圧はほぼ一定となる特徴をもつが、この範囲を超えて電流が増加すると、陰極の温度が上昇し、熱電子を放出するアーク放電へと移行する。
グロー放電では放電路に沿って発光の強いところと弱いところが生ずる。陰極の近くに非常に薄い暗い部分があり、アストン暗部とよばれる。ついで陰極グローとよばれる発光部分があり、さらにやや暗い部分を陰極暗部またはクルックス暗部とよぶ。ついでもっとも明るい発光部分である負グローがある。ここでは原子や分子の電離および励起がもっとも盛んにおこっている。負グローの次には、発光が弱い部分がまた現れ、ファラデー暗部とよばれる。これは、電子が負グロー中でエネルギーを失い、原子を励起する能力をなくしているためである。ついで陽光柱とよばれる発光部がある。陽光柱の発光は負グローより光が弱く、また一般に光の色も違っている。陽光柱の陽極近くには、やや明るい部分があり陽極グローとよばれる。陽極と陽極グローの間は、発光がやや弱く陽極暗部という。以上の各部のうち、気体の種類や放電条件によっては、アストン暗部と陽極暗部、陽極グローは認められないこともある。陽光柱以外の各部の長さは、気体の種類と圧力によって決まっている。そのため陰極と陽極の間隔を近づけていくと、まず陽光柱が短くなり、ついにはなくなる。ついで陽極側から陽極グロー、ファラデー暗部、負グローとなくなっていく。負グローがなくなったグロー放電は、陰極線により陽極付近のガラスから蛍光が発せられる放電である。さらに陰極暗部がなくなると、もはや放電は維持できない。
グロー放電は安定した放電であるため、よく利用される。赤色のネオンサインは、ネオンの陽光柱の赤色の発光を利用したものである。ただし、赤色以外のものは水銀のグロー放電を利用したもので、水銀原子の発する紫外線を蛍光体でいろいろの色に変えている。ネオン管はネオンの負グローを利用し、蛍光ランプの点灯管（グロースターター）は、グロー放電の陰極加熱を利用してバイメタルを点滅させる。水銀のグロー放電による白色蛍光ランプは長寿命が得られるため液晶テレビのバックライトとして常用されていたが、2010年ころ以後は高効率のLED（発光ダイオード）ランプに置き換えられた。加工に使用される炭酸ガスレーザーも、炭酸ガスのグロー放電を利用している。