Der Thomson-Effekt ist eines von drei reversiblen thermoelektrischen Phänomenen (oft einfach als thermoelektrische Effekte bezeichnet); die anderen sind der Seebeck-Effekt und der Peltier-Effekt. Im Jahr 1851 kam William Thomson (später Lord Kelvin) aufgrund thermodynamischer Überlegungen zu dem Schluss, dass in einem thermoelektrischen Stromkreis neben den Quellen an den Verbindungsstellen auch Quellen elektromotorischer Kraft (EMK) existieren. Insbesondere sagte er voraus, dass in einem einzelnen Leiter immer dann eine elektromotorische Kraft entstehen würde, wenn ein Temperaturgefälle vorhanden ist. Der Wahrheitsgehalt dieser Vorhersage kann durch das in der Abbildung dargestellte Experiment nachgewiesen werden.
In diesem Experiment fließt ein Strom durch einen Eisenstab, der U-förmig gebogen ist. Um die beiden Seiten des U sind, wie gezeigt, die Widerstandsspulen R1 und R2 gewickelt. Diese bilden zwei Arme einer ausgeglichenen Wheatstone-Brücke. Der Boden des U wird dann erhitzt. Dadurch entstehen zwei Temperaturgradienten – ein positiver, der von A nach C verläuft, und ein negativer, der von C nach B verläuft. Als Ergebnis dieses Vorgangs wird die Brücke in einer solchen Richtung unausgeglichen, dass der Widerstand von R1 stärker gestiegen ist als der von R2. Offensichtlich wurde an R1 Wärme freigesetzt und an R2 absorbiert.
Die Absorption von Wärme ist ein Beweis für eine elektromotorische Kraft, die in die gleiche Richtung wie der Strom wirkt, d. h., dem Stromkreis wird elektrische Energie auf Kosten der Wärmeenergie der Umgebung zugeführt. Dies ist im Abschnitt AB der Fall. Auch im Abschnitt AC wird dem Strom eine elektrostatische Kraft entgegengesetzt, was zu einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie führt. In Eisen würde die Thomson-EMK also einen Strom im Eisen von den heißen zu den kalten Bereichen hervorrufen. Viele Metalle, darunter Wismut, Kobalt, Nickel und Platin, weisen neben Eisen die gleiche Eigenschaft auf, die als negativer Thomson-Effekt bezeichnet wird. Eine andere Gruppe von Metallen, darunter Antimon, Kadmium, Kupfer und Silber, weist einen positiven Thomson-Effekt auf; bei diesen Metallen ist die Richtung der Thomson-EMK so beschaffen, dass sie einen Strom innerhalb des Metalls von kalten zu heißen Bereichen unterstützt. Bei einem Metall, Blei, ist der Thomson-Effekt gleich Null. Bei bestimmten Metallen kehrt der Effekt das Vorzeichen um, wenn die Temperatur erhöht oder die Kristallstruktur verändert wird.
Die Größe der Thomson-EMK für ein bestimmtes Material, a, wird durch den Thomson-Koeffizienten σa ausgedrückt, der die Dimensionen von EMK/Grad hat. Somit ist σa dt die EMK, die zwischen zwei Punkten besteht, deren Temperaturen sich um dt °C unterscheiden. Die Wärme, die pro Sekunde zwischen zwei Punkten mit der Temperatur t1 bzw. t2 absorbiert wird, wenn ein Strom von I Ampere durch das Material fließt, ist daher gegeben durch
Wärmeaufnahme/Sek = I σa dt – I 2R
Der Thomson-Koeffizient σa ist positiv (negativ) für Materialien, die den positiven (negativen) Thomson-Effekt aufweisen. Der Term in der obigen Gleichung ist einfach die Joule-Wärme, die immer freigesetzt wird, wenn ein Strom durch einen unvollkommenen Leiter fließt. Er hat keinen Bezug zum Thomson-Effekt, ist aber der Vollständigkeit halber in der Gleichung enthalten.