C.5.2 Plasma en équilibre thermodynamique, plasma hors équilibre

Sous l'effet de l'agitation thermique, des collisions ionisent les ions. Si les processus de recombinaison entre électrons et ions équilibrent cette ionisation, le plasma est en équilibre thermodynamique : l'ionisation est déterminée par la pression et la température. Dans le cas d'un gaz monoatomique, on peut appliquer la loi de SAHA :

$$\frac{n_e n_i}{n_0} = \frac{\pi_e \pi_i}{\pi_0} \frac{(2 \pi m_e k T)^ {\frac{3}{2}}}{h^3} e^{- \frac{E_i}{kT}}$$ (C.35)

Où $E_i$ représente l'énergie d'ionisation du gaz, et $\pi_e$, $\pi_i$, $\pi_0$ les poids statistiques des électrons, ions et neutres. Les $n$ représentent des nombres de particules par unité de volume. Si les processus de recombinaisons n'équilibrent pas les processus d'ionisations, le plasma est hors d'équilibre thermodynamique. Un état stationnaire atteint par le plasma peut être décrit par son degré d'ionisation $\alpha$, les nombres de particules par unité de volume $n$ pour chaque espèce (électrons, ions, neutres), et les températures $T$ pour chaque espèce également. Ainsi, si un plasma à l'équilibre thermodynamique est un plasma décrit par une distribution indépendante du temps et de l'espace, il est possible de décrire un équilibre thermodynamique local : dans ce cas, il existe des écarts à l'équilibre (par exemple une densité ou une température non uniforme), mais le temps caractéristique de retour à l'équilibre est petit devant le temps caractéristique des mécanismes qui perturbent le milieu (et le même raisonnement doit s'appliquer aussi aux distances caractéristiques des perturbations devant le libre parcours moyen).