El efecto Thomson es uno de los tres fenómenos termoeléctricos reversibles (a menudo conocidos simplemente como efectos termoeléctricos), siendo los otros el efecto Seebeck y el efecto Peltier. En 1851, William Thomson (más tarde Lord Kelvin) llegó a la conclusión, mediante un razonamiento termodinámico, de que en un circuito termoeléctrico existen fuentes de fuerza electromotriz (emf) además de las situadas en las uniones. En particular, predijo que surgiría una emf en el interior de un solo conductor siempre que existiera un gradiente de temperatura. La veracidad de esta predicción puede ser demostrada por el experimento ilustrado en el diagrama aquí.
En este experimento una corriente pasa a través de una barra de hierro que se dobla en forma de U. Las bobinas de resistencia, R1 y R2, se enrollan sobre los dos lados de la U, como se muestra. Éstas forman dos brazos de un puente de Wheatstone equilibrado. A continuación, se calienta la parte inferior de la U. Esto establece dos gradientes de temperatura: uno positivo que se extiende de A a C, y otro negativo que se extiende de C a B. Como resultado de esta operación, el puente se desequilibra en una dirección tal que indica que la resistencia de R1 ha aumentado más que la de R2. Evidentemente, el calor ha sido liberado en R1 y absorbido en R2.
La absorción de calor es evidencia de una fuerza electromotriz que está actuando en la misma dirección que la de la corriente, es decir, se está suministrando energía eléctrica al circuito a expensas de la energía térmica del entorno. Tal es el caso de la sección AB. Asimismo, en la sección AC, a la corriente se opone una emf, con la consiguiente transformación de energía eléctrica en energía térmica. Así, en el hierro, la emf Thomson daría lugar a una corriente en el hierro desde las regiones calientes a las frías. Muchos metales, entre ellos el bismuto, el cobalto, el níquel y el platino, además del hierro, presentan esta misma propiedad, que se denomina efecto Thomson negativo. Otro grupo de metales, entre los que se encuentran el antimonio, el cadmio, el cobre y la plata, presentan un efecto Thomson positivo; en ellos, la dirección del emf Thomson es tal que soporta una corriente dentro del metal desde las regiones frías a las calientes. En un metal, el plomo, el efecto Thomson es nulo. En ciertos metales el efecto invierte de signo al aumentar la temperatura o al alterar la estructura cristalina.
La magnitud del emf Thomson para un material dado, a, se expresa en términos del coeficiente Thomson, σa, que tiene dimensiones de emf/grado. Así, σa dt es la emf que existe entre dos puntos cuyas temperaturas difieren en dt °C. Por lo tanto, el calor absorbido por segundo entre dos puntos a temperatura t1 y t2, respectivamente, cuando una corriente de I amperios pasa a través del material, viene dado por
Calor absorbido/seg = I σa dt – I 2R
El coeficiente Thomson, σa, es positivo (negativo) para los materiales que presentan el efecto Thomson positivo (negativo). El término en la ecuación anterior es simplemente el calor Joule que siempre se libera cuando una corriente fluye a través de un conductor imperfecto. No tiene ninguna relación con el efecto Thomson, pero se incluye en la ecuación para completarla.