Efekt Thomsona jest jednym z trzech odwracalnych zjawisk termoelektrycznych (często znanych po prostu jako efekty termoelektryczne), pozostałe to efekt Seebecka i efekt Peltiera. W 1851 roku William Thomson (późniejszy Lord Kelvin) na podstawie rozumowania termodynamicznego doszedł do wniosku, że źródła siły elektromotorycznej (emf) istnieją w obwodzie termoelektrycznym oprócz tych zlokalizowanych na złączach. W szczególności, przewidział on, że emf powstanie w pojedynczym przewodniku zawsze, gdy pojawi się gradient temperatury. Prawdziwość tego przewidywania może być zademonstrowana przez eksperyment zilustrowany na rysunku tutaj.

W tym eksperymencie prąd przepływa przez żelazny pręt, który jest wygięty w kształt litery U. Cewki oporowe, R1 i R2, są nawinięte wokół dwóch boków U, jak pokazano na rysunku. Tworzą one dwa ramiona zrównoważonego mostka Wheatstone’a. Dolna część U jest następnie podgrzewana. Powoduje to powstanie dwóch gradientów temperatury – dodatniego rozciągającego się od A do C i ujemnego rozciągającego się od C do B. W wyniku tej operacji mostek staje się niezrównoważony w takim kierunku, który wskazuje, że rezystancja R1 wzrosła bardziej niż rezystancja R2. Najwyraźniej ciepło zostało wyzwolone w R1 i pochłonięte w R2.

Pochłanianie ciepła jest dowodem na to, że siła elektromotoryczna działa w tym samym kierunku co prąd, to znaczy, że energia elektryczna jest dostarczana do obwodu kosztem energii cieplnej otoczenia. Taka sytuacja ma miejsce w przekroju AB. Podobnie w odcinku AC, prądowi przeciwstawia się emf, a w konsekwencji energia elektryczna zamienia się w energię cieplną. Tak więc w żelazie emf Thomsona spowodowałby powstanie prądu w żelazie od obszarów gorących do zimnych. wiele metali, w tym bizmut, kobalt, nikiel i platyna, oprócz żelaza, wykazują tę samą właściwość, która jest określana jako ujemny efekt Thomsona. Inna grupa metali, w tym antymon, kadm, miedź i srebro, wykazują dodatni efekt Thomsona; w tych, kierunek emf Thomson jest taki, aby wspierać prąd w metalu z zimnych do gorących obszarów. W jednym metalu, ołowiu, efekt Thomsona jest zerowy. W niektórych metalach efekt ten odwraca się wraz z podwyższeniem temperatury lub zmianą struktury krystalicznej.

Wielkość emf Thomsona dla danego materiału, a, wyraża się za pomocą współczynnika Thomsona, σa, który ma wymiary emf/stopień. Zatem σa dt jest emf występującym pomiędzy dwoma punktami, których temperatury różnią się o dt °C. Stąd ciepło pochłaniane w ciągu sekundy pomiędzy dwoma punktami o temperaturze odpowiednio t1 i t2, gdy przez materiał przepływa prąd o natężeniu I amperów, jest dane wzorem

Ciepło pochłaniane/sec = I σa dt – I 2R

Współczynnik Thomsona, σa, jest dodatni (ujemny) dla materiałów wykazujących dodatni (ujemny) efekt Thomsona. Wyrażenie w powyższym równaniu jest po prostu ciepłem Joule’a, które jest zawsze uwalniane, gdy prąd przepływa przez niedoskonały przewodnik. Nie ma on żadnego związku z efektem Thomsona, ale jest uwzględniony w równaniu dla kompletności.