По своей сути это электровакуумный генератор электромагнитных колебаний сверхвысокочастотного диапазона. Принцип работы прибора основан на взаимодействии электронов, движущихся в магнитном поле, с возбуждаемыми ими же электромагнитными полями. Основу конструкции магнетрона составляет коаксиальный цилиндрический диод с внутренними электродами, находящимися в однородном магнитостатическом поле, направленном вдоль его оси. Испущенные с катода электроны дрейфуют поперек скрещенных электростатических и магнитостатических полей, образуя замкнутый поток вокруг катода.
Анод многорезонаторного магнетрона представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней части которого находятся объемные резонаторы с щелевидными отверстиями, выходящими на поверхность.
При включении магнетрона начинается эмиссия электронов из катода в область действия постоянного электрического поля между катодом и анодом, магнитного поля и электромагнитных волн. Вначале электроны движутся в скрещенном электрическом и магнитном поле по особым кривым — эпициклам, напоминающим движение точки на ободе катящегося колеса. При этом они генерируют электромагнитные колебания, усиливаемые резонаторами. Электрическая составляющая возникшей электромагнитной волны в зависимости от направленности может ускорять или замедлять движение электронов. При торможении электронов их энергия передается электромагнитной волне, причем если средняя скорость вращения электронов вокруг анода будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, электроны могут непрерывно находиться в области торможения, эффективно подпитывая энергию микроволнового излучения. Такие электроны формируют продолговатые сгустки — «спицы», вращающиеся вместе с электромагнитным полем и многократно взаимодействуя с излучаемым высокочастотным полем. Собственно говоря, от этого взаимодействия и зависит коэффициент полезного действия магнетрона, а также возможность получения большой мощности микроволнового излучения.
Дневниковые записи изобретателя показывают, что некий прообраз магнетрона оригинальной многоконтурной конструкции он пытался создать, еще только готовясь к своим опытам на башне Ворденклиф. И здесь он был пионером, но не принципа действия магнетрона (такие устройства уже разрабатывались в Германии, Англии, России, Франции и Италии) — Тесла был первооткрывателем именно военного применения этого замечательного радиотехнического прибора.
И Тесла начал одну из самых загадочных серий экспериментов с «вакуумными трубками, колбами и лампами, помещенными в эфирные вихри электрического и магнитного поля». Проще говоря, основываясь на довольно туманных теоретических рассуждениях (разумеется, туманных для немедленной постройки излучателей, а не по своей физической сути), изобретатель начал создавать вакуумированные газовые излучатели, помещая их в вихревые электромагнитные поля.
Вскоре Тесла изобрел замечательное устройство для создания неоднородного в пространстве электрического поля — квадрупольный конденсатор. Этот замечательный прибор представлял собой четыре стержня, попеременно заряженные положительным и отрицательным зарядом до высокого напряжения. Если поместить в такое устройство трубку с разряженным газом, то произойдет разделение молекул газа по энергиям. Наиболее энергичные молекулы сконцентрируются у оси конденсатора, а менее энергичные сосредоточатся у стенок в полном соответствии с распределением электрических зарядов. Именно так Тесла получил модель молекулярного пучка, пролетающего в электрическом поле конденсатора.