Магнетроном называется двухэлектродная электронная лампа (диод), содержащая накаливаемый катод и холодный анод и помещенная во внешнее магнитное поле.
Анод диода имеет форму цилиндра радиусом 
. Катод представляет собой полый цилиндр радиусом 
, вдоль оси которого расположена нить накала, как правило, изготавливаемая из вольфрама (рис.7).
Раскалённый катод в результате явления термоэлектронной эмиссии испускает термоэлектроны, которые образуют вокруг катода электронное облако. При подаче анодного напряжения 
(рис.8), электроны начинают перемещаться от катода к аноду вдоль радиусов, что приводит к возникновению анодного тока 
. Анодный ток регистрируется миллиамперметром.
Рис.7. Схема диода
Рис.8. Электрическая схема цепи
Величина анодного напряжения регулируется потенциометром RA. Чем больше анодное напряжение, тем большее количество электронов за единицу времени достигает анода, следовательно, тем больше анодный ток.
Напряжённость электрического поля Е между катодом и анодом такая же, как и в цилиндрическом конденсаторе:
, (30)
где r – расстояние от оси катода до данной точки пространства между катодом и анодом.
Из формулы (30) следует, что напряжённость поля Е обратно пропорциональна расстоянию r до оси катода. Следовательно, напряженность поля максимальна у катода.
Так как
rк <<ra, (31)
то значение логарифма ln 
стремится к большой величине. Тогда с увеличением расстояния r напряженность электрического поля между катодом и анодом снижается до нуля. Поэтому, можно считать, что электроны приобретают скорость под действием поля только вблизи катода, и дальнейшее их движение к аноду происходит с постоянной по величине скоростью.
Внешнее магнитное поле, в которое помещён диод, создаётся соленоидом (рис.8). Длина соленоида l много больше диаметра его витков, поэтому поле внутри соленоида можно считать однородным. Ток в цепи соленоида изменяется с помощью потенциометра RC (рис.8) и регистрируется амперметром.
Характер движения электронов в зависимости от величины поля соленоида показан на рис.9. Если ток в цепи соленоида отсутствует, то индукция магнитного поля В = 0. Тогда электроны движутся от катода к аноду практически по радиусам.
Увеличение тока в цепи соленоида приводит к возрастанию величины В. При этом, траектории движения электронов начинают искривляться, однако все электроны достигают анода. В анодной цепи будет течь ток такой же, как и в отсутствии магнитного поля.
Рис.9. Зависимость анодного тока IA от величины тока соленоида Ic в идеальном (1) и реальном (2) случаях, а также характер движения электронов в зависимости от величины поля соленоида.
При некотором значении тока в соленоиде радиус окружности, по которой движется электрон, становится равным половине расстояния между катодом и анодом:
.. (32)
Электроны в этом случае касаются анода и уходят к катоду (рис.9). Такой режим работы диода называется критическим. При этом по соленоиду течёт критический ток Iкр, которому соответствует критическое значение индукции магнитного поля В = Вкр.
При В = Вкр анодный ток в идеальном случае должен скачком уменьшиться до нуля. При В > Вкр электроны не попадают на анод (рис.9), и анодный ток также будет равен нулю (рис.9, кривая 1).
Однако на практике, вследствие некоторого разброса скоростей электронов и нарушения соосности катода и соленоида, анодный ток уменьшается не скачком, а плавно (рис.9, кривая 2). При этом значение силы тока соленоида, соответствующее точке перегиба на кривой 2, считается критическим Iкр. Критическому значению тока соленоида соответствует анодный ток, равный:
, (33)
где 
– максимальное значение анодного тока при В = 0.
Зависимость анодного тока IA от величины индукции магнитного поля В (или от тока в соленоиде) при постоянном анодном напряжении и постоянном накале называется сбросовой характеристикой магнетрона.