Во время протекания через проводник постоянного электрического тока, данный проводник нагревается в соответствии с законом Джоуля-Ленца: выделяемая в единице объема проводника тепловая мощность равна произведению плотности тока на напряженность электрического поля, действующего в проводнике.
Так происходит потому, что движущиеся внутри проводника под действием электрического поля свободные электроны, образующие ток, сталкиваются по пути с узлами кристаллической решетки и передают им часть своей кинетической энергии, в результате узлы кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, то есть температура проводника повышается по всему его объему.
Чем больше напряженность электрического поля в проводнике — тем до больших скоростей успевают разогнаться свободные электроны прежде чем столкнутся с узлами кристаллической решетки, тем большую кинетическую энергию они успевают набрать по пути свободного пробега, и тем больший импульс передают узлам кристаллической решетки в момент столкновения с ними. Очевидно, чем большим электрическим полем ускоряются свободные электроны в проводнике - тем больше тепла в объеме проводника выделяется.
Сейчас давайте представим, что проводник с одной стороны нагрет. То есть один из его концов имеет температуру более высокую чем второй его конец, тогда как второй конец имеет приблизительно такую же температуру, что и окружающий воздух. Это значит, что в нагретой части проводника свободные электроны обладают более высокими скоростями теплового движения чем в другой его части.
Если теперь оставить проводник в покое, то он постепенно остынет. Часть тепла будет передана непосредственно окружающему воздуху, другая часть тепла — менее нагретой стороне проводника, а от нее — окружающему воздуху.
При этом свободные электроны с более высокими скоростями теплового движения станут передавать импульс свободным электронам в менее нагретой части проводника до тех пор, пока температура по всему объему проводника не выровняется, то есть пока не выровняются и скорости теплового движения свободных электронов по всему объему проводника.
Усложним эксперимент. Подключим проводник к источнику постоянного тока, предварительно подогрев пламенем ту его сторону, к которой будет подключен минусовой вывод источника. Под действием создаваемого источником электрического поля, свободные электроны в проводнике начнут двигаться от минусового вывода — к плюсовому.
Дополнительно движению этих электронов от минуса к плюсу станет способствовать созданный предварительным подогревом проводника перепад температур.
Можно сказать, что электрическое поле источника помогает распространению тепла по проводнику, однако свободные электроны, перемещаясь от горячего конца к холодному, в целом замедляются, а значит — передают дополнительную тепловую энергию окружающим атомам.
То есть в направлении окружающих свободные электроны атомов выделяется теплота дополнительная по отношению к теплоте Джоуля-Ленца.
Теперь снова подогреем одну сторону проводника пламенем, но подключим источник тока плюсовым выводом к нагретой стороне. На стороне минусового вывода свободные электроны в проводнике имеют меньшие скорости теплового движения, однако под действием электрического поля источника они устремляются в сторону нагретого конца.
Навстречу движению этих электронов от минуса к плюсу распространяется созданное предварительным подогревом проводника тепловое движение свободных электронов. Свободные электроны перемещаясь от холодного конца к горячему, в целом ускоряются, забирая тепловую энергию у подогретого проводника, а значит — поглощают тепловую энергию окружающих свободные электроны атомов.
Данный эффект был открыт в 1856 году британским физиком Уильямом Томсоном, который установил, что в однородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля — Ленца, в объеме проводника будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота в зависимости от направления тока (третий термоэлектрический эффект).
Количество теплоты Томсона пропорционально величине тока, времени действия тока и перепаду температур в проводнике. т - коэффициент Томсона, который выражается в вольтах на кельвин и имеет ту же размерность, что и термоэлектродвижущая сила.
Другие термоэлектрические эффекты: эффект Зеебека и эффект Пельтье