Thomsoneffekten är ett av tre reversibla termoelektriska fenomen (ofta kallade termoelektriska effekter), de andra är Seebeck-effekten och Peltier-effekten. År 1851 kom William Thomson (senare Lord Kelvin) med hjälp av termodynamiska resonemang fram till slutsatsen att det i en termoelektrisk krets finns källor till elektromotorisk kraft (emf) utöver de källor som finns vid förbindningarna. Han förutspådde särskilt att en emf skulle uppstå i en enskild ledare när det finns en temperaturgradient. Att denna förutsägelse stämmer kan påvisas med hjälp av det experiment som illustreras i diagrammet här.

I detta experiment passerar en ström genom en järnstång som är böjd i en U-form. Motståndsspolar, R1 och R2, är lindade runt de två sidorna av U:et, enligt bilden. Dessa bildar två armar i en balanserad Wheatstone-bro. U:ets botten värms sedan upp. Detta skapar två temperaturgradienter – en positiv som sträcker sig från A till C och en negativ som sträcker sig från C till B. Som ett resultat av denna operation blir bryggan obalanserad i en sådan riktning att det indikerar att motståndet i R1 har ökat mer än i R2. Uppenbarligen har värme frigjorts i R1 och absorberats i R2.

Absorption av värme är ett bevis för en elektromotorisk kraft som verkar i samma riktning som strömmen, det vill säga att elektrisk energi tillförs kretsen på bekostnad av värmeenergi från omgivningen. Så är fallet i avsnittet AB. På samma sätt är strömmen i sektionen AC motsatt av en emf, vilket leder till att elektrisk energi omvandlas till värmeenergi. I järn skulle således Thomson-EMF:n ge upphov till en ström i järnet från varma till kalla områden. Många metaller, däribland bismut, kobolt, nickel och platina, förutom järn, uppvisar samma egenskap, som kallas den negativa Thomsoneffekten. En annan grupp metaller, däribland antimon, kadmium, koppar och silver, uppvisar en positiv Thomson-effekt. I dessa har Thomson-EMF:n en sådan riktning att den stöder en ström i metallen från kalla till varma områden. I en metall, bly, är Thomsoneffekten noll. I vissa metaller vänder effekten tecken om när temperaturen höjs eller när kristallstrukturen förändras.

Storleken på Thomson-EMF för ett givet material, a, uttrycks i termer av Thomson-koefficienten, σa, som har dimensionerna emf/grad. σa dt är således den emf som finns mellan två punkter vars temperaturer skiljer sig åt med dt °C. Den värme som absorberas per sekund mellan två punkter med temperaturen t1 respektive t2, när en ström på I ampere passerar genom materialet, ges därför av

Värme som absorberas/sek = I σa dt – I 2R

Thomsonkoefficienten σa är positiv (negativ) för material som uppvisar en positiv (negativ) Thomsoneffekt. Termen i ekvationen ovan är helt enkelt den Joulevärme som alltid frigörs när en ström flyter genom en ofullständig ledare. Den har inget samband med Thomsoneffekten, men tas med i ekvationen för fullständighetens skull.