Het Thomson-effect is een van de drie omkeerbare thermo-elektrische verschijnselen (vaak kortweg thermo-elektrische effecten genoemd); de andere zijn het Seebeck-effect en het Peltier-effect. In 1851 kwam William Thomson (later Lord Kelvin) op grond van thermodynamische redeneringen tot de conclusie dat er in een thermo-elektrische kring naast de bronnen in de knooppunten nog andere bronnen van elektromotorische kracht (emf) bestaan. In het bijzonder voorspelde hij dat er in een enkele geleider een emf zou ontstaan wanneer er een temperatuurgradiënt aanwezig was. De waarheid van deze voorspelling kan worden aangetoond door het experiment dat in het diagram hier wordt geïllustreerd.

In dit experiment gaat een stroom door een ijzeren staaf die in een U-vorm is gebogen. Weerstandsspoelen, R1 en R2, zijn om de twee zijden van de U gewikkeld, zoals afgebeeld. Deze vormen de twee armen van een evenwichtige brug van Wheatstone. De bodem van de U wordt dan verwarmd. Hierdoor ontstaan twee temperatuurgradiënten – een positieve die zich uitstrekt van A tot C, en een negatieve die zich uitstrekt van C tot B. Als gevolg van deze operatie raakt de brug uit evenwicht in een richting die erop wijst dat de weerstand van R1 meer is toegenomen dan die van R2. Het is duidelijk dat de warmte bij R1 is vrijgekomen en bij R2 is geabsorbeerd.

De absorptie van warmte wijst op een elektromotorische kracht die in dezelfde richting werkt als de stroom, dat wil zeggen dat er elektrische energie aan de kring wordt toegevoerd ten koste van warmte-energie van de omgeving. Dit is het geval in de doorsnede AB. Evenzo, in de sectie AC, wordt de stroom tegengewerkt door een emf, met als gevolg de omzetting van elektrische energie in warmte-energie. Zo zou in ijzer de Thomson-emf aanleiding geven tot een stroom in het ijzer van de warme naar de koude gebieden. Vele metalen, met inbegrip van bismut, kobalt, nikkel en platina, naast ijzer, vertonen deze zelfde eigenschap, die het negatieve Thomson-effect wordt genoemd. Een andere groep metalen, waaronder antimoon, cadmium, koper en zilver, vertonen een positief Thomson-effect; in deze metalen is de richting van de Thomson-emf zodanig dat een stroom binnen het metaal van koude naar warme gebieden wordt ondersteund. In één metaal, lood, is het Thomson-effect nul. In bepaalde metalen keert het effect om als de temperatuur wordt verhoogd of als de kristalstructuur wordt gewijzigd.

De grootte van de Thomson emf voor een gegeven materiaal, a, wordt uitgedrukt in termen van de Thomson coëfficiënt, σa, die de afmetingen heeft van emf/de graad. Zo is σa dt de emf die bestaat tussen twee punten waarvan de temperatuur verschilt met dt °C. De warmte die per seconde wordt geabsorbeerd tussen twee punten met een temperatuur van respectievelijk t1 en t2, wanneer een stroom van I ampère door het materiaal gaat, wordt dus gegeven door

Warmte geabsorbeerd/sec = I σa dt – I 2R

De Thomson-coëfficiënt, σa, is positief (negatief) voor materialen die het positieve (negatieve) Thomson-effect vertonen. De term in bovenstaande vergelijking is eenvoudigweg de Joule-warmte die altijd vrijkomt wanneer een stroom door een onvolmaakte geleider vloeit. Het heeft geen relatie met het Thomson effect, maar is voor de volledigheid in de vergelijking opgenomen.