Thomsonin ilmiö on yksi kolmesta palautuvasta lämpösähköisestä ilmiöstä (usein tunnetaan yksinkertaisesti termosähköisenä ilmiönä), muut ovat Seebeckin ilmiö ja Peltierin ilmiö. Vuonna 1851 William Thomson (myöhemmin lordi Kelvin) päätteli termodynaamisten päättelyjen perusteella, että lämpösähköpiirissä on sähkömotorisen voiman (emf) lähteitä liitoskohdissa sijaitsevien lähteiden lisäksi. Hän ennusti erityisesti, että emf syntyy yksittäisen johtimen sisällä aina, kun lämpötilagradientti on läsnä. Tämän ennusteen paikkansapitävyys voidaan osoittaa tässä kuvassa esitetyllä kokeella.

Tässä kokeessa virta kulkee U:n muotoon taivutetun rautatangon läpi. Vastuskäämit, R1 ja R2, on kiedottu U:n molemmille sivuille kuvan mukaisesti. Nämä muodostavat tasapainotetun Wheatstonen sillan kaksi haaraa. Tämän jälkeen U:n pohjaa lämmitetään. Näin syntyy kaksi lämpötilagradienttia – positiivinen, joka ulottuu A:sta C:hen, ja negatiivinen, joka ulottuu C:stä B:hen. Tämän toimenpiteen seurauksena silta muuttuu epätasapainoiseksi sellaiseen suuntaan, että R1:n vastus on kasvanut enemmän kuin R2:n vastus. Ilmeisesti lämpöä on vapautunut R1:stä ja absorboitunut R2:een.

Lämmön absorptio on todiste siitä, että sähkömotorinen voima vaikuttaa samaan suuntaan kuin virta, eli piiriin syötetään sähköenergiaa ympäristön lämpöenergian kustannuksella. Näin on asianlaita kohdassa AB. Vastaavasti jaksossa AC virtaa vastassa on emf, jolloin sähköenergia muuttuu lämpöenergiaksi. Näin ollen raudassa Thomsonin emf aiheuttaisi virran kulkeutumisen raudassa kuumalta kylmälle alueelle. monilla metalleilla, kuten raudan lisäksi vismutilla, koboltilla, nikkelillä ja platinalla, on tämä sama ominaisuus, jota kutsutaan negatiiviseksi Thomsonin vaikutukseksi. Toisella metalliryhmällä, kuten antimonilla, kadmiumilla, kuparilla ja hopealla, on positiivinen Thomsonin vaikutus; näissä metalleissa Thomsonin emf:n suunta on sellainen, että se tukee virran kulkua metallissa kylmältä alueelta kuumalle alueelle. Yhdessä metallissa, lyijyssä, Thomsonin vaikutus on nolla. Tietyissä metalleissa vaikutus kääntyy päinvastaiseksi lämpötilan noustessa tai kiderakenteen muuttuessa.

Thomsonin emf:n suuruus tietylle materiaalille, a, ilmaistaan Thomsonin kertoimella, σa, jonka mitat ovat emf/aste. Näin σa dt on emf, joka vallitsee kahden pisteen välillä, joiden lämpötilat eroavat dt °C. Näin ollen lämpö, joka absorboituu sekunnissa kahden pisteen välillä, joiden lämpötila on t1 ja t2, kun materiaalin läpi kulkee virta I ampeeria, on

Absorboitunut lämpö/sek = I σa dt – I 2R

Thomsonin kerroin σa on positiivinen (negatiivinen) materiaaleille, joilla on positiivinen (negatiivinen) Thomsonin vaikutus. Yllä olevan yhtälön termi on yksinkertaisesti Joulen lämpö, joka vapautuu aina, kun virta kulkee epätäydellisen johtimen läpi. Sillä ei ole mitään yhteyttä Thomsonin vaikutukseen, mutta se on sisällytetty yhtälöön täydellisyyden vuoksi.