A Thomson-effektus egyike a három reverzibilis termoelektromos jelenségnek (gyakran egyszerűen termoelektromos effektusnak nevezik), a többi a Seebeck-effektus és a Peltier-effektus. 1851-ben William Thomson (a későbbi Lord Kelvin) a termodinamikai érvelés alapján arra a következtetésre jutott, hogy a termoelektromos áramkörben az elágazásokon kívül elektromotoros erőforrások (emf) is léteznek. Különösen azt jósolta, hogy egyetlen vezetőn belül is emf keletkezik, amikor hőmérsékleti gradiens van jelen. Ennek a jóslatnak az igazságát az itt látható ábrán szemléltetett kísérlettel lehet bizonyítani.
Ebben a kísérletben egy U alakban meghajlított vasrúdon áram folyik át. Az U két oldala köré az R1 és R2 ellenállás-tekercseket tekercseljük az ábrán látható módon. Ezek egy kiegyensúlyozott Wheatstone-híd két karját alkotják. Ezután az U alját felmelegítjük. Ezáltal két hőmérsékleti gradiens jön létre – egy pozitív, amely A-tól C felé, és egy negatív, amely C-től B felé tart. E művelet eredményeként a híd olyan irányban válik kiegyensúlyozatlanná, amely azt jelzi, hogy az R1 ellenállása nagyobb mértékben nőtt, mint az R2 ellenállása. Nyilvánvaló, hogy az R1-nél hő szabadult fel, az R2-nél pedig elnyelődött.
A hőelnyelés bizonyíték arra, hogy az elektromotoros erő az áram irányával azonos irányban hat, vagyis elektromos energia kerül az áramkörbe a környezet hőenergiájának rovására. Ez a helyzet az AB szakaszban. Hasonlóképpen, az AC szakaszban az árammal szemben egy emf áll, következésképpen az elektromos energia hőenergiává alakul át. Így a vasban a Thomson-emf a vasban a meleg és a hideg tartományok között áramot eredményezne. sok fém, köztük a vas mellett a bizmut, a kobalt, a nikkel és a platina is ugyanezt a tulajdonságot mutatja, amit negatív Thomson-effektusnak nevezünk. A fémek egy másik csoportja, köztük az antimon, a kadmium, a réz és az ezüst pozitív Thomson-effektust mutat; ezekben a fémekben a Thomson-emf iránya olyan, hogy a fémben a hideg tartományból a meleg tartományba tartó áramot támogatja. Egy fémben, az ólomban a Thomson-hatás nulla. Bizonyos fémekben a hőmérséklet emelkedésével vagy a kristályszerkezet megváltozásával a hatás előjele megfordul.
A Thomson-emf nagyságát egy adott anyag esetében a Thomson-együtthatóval, σa-val fejezzük ki, amelynek mérete az emf/fok. Így σa dt az az emf, amely két olyan pont között van, amelyek hőmérséklete dt °C-kal tér el egymástól. Ezért a másodpercenként elnyelt hő két t1, illetve t2 hőmérsékletű pont között, amikor az anyagon I amper áram folyik át, a következőképpen adódik:
Elnyelt hő/sec = I σa dt – I 2R
A σa Thomson-együttható pozitív (negatív) a pozitív (negatív) Thomson-effektust mutató anyagok esetében. A fenti egyenletben szereplő kifejezés egyszerűen a Joule-hő, amely mindig felszabadul, amikor egy tökéletlen vezetőn áram folyik keresztül. Nincs kapcsolata a Thomson-hatással, de a teljesség kedvéért szerepel az egyenletben.