汤姆逊效应的物理学原理基于金属内部温度的不均匀分布。当导体内部存在温度梯度时，高温区域的自由电子比低温区域的自由电子具有更大的动能。这种现象类似于气体的热扩散，自由电子会从高温区域向低温区域移动，导致低温端的电子密度增加，从而在导体内部形成一个电场。这种电场的形成过程会持续到电场力与电子的热扩散作用达到平衡状态时才会停止。汤姆逊效应的具体体现是通过温差电势来衡量，即导体A两端的电势差，用 eA(T, T0) 表示。其中，T和T0分别代表金属棒的高、低端温度，以绝对温度单位表示。汤姆逊系数，σA，是描述这一现象的重要参数，它取决于金属的材料特性以及温度。例如，铜在0℃时的汤姆逊系数仅为2微伏每摄氏度（2μV/℃），而铋的系数在常温下也相对较小，大约为10微伏每摄氏度（10 μV/℃）。
