Zunächst werden in einer Glühkathode Elektronen freigesetzt, welche durch elektrische Hochspannungsfelder (zwischen 1 und ca. 20 kV) beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl gebündelt werden.
Für technische Anwendungen ist man bestrebt, die erforderliche Temperatur der Glühkathode möglichst gering zu halten, indem Materialien mit geringer Austrittsarbeit verwendet werden.
Das Raumladungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischer Stromstärke und Spannung einer evakuierten Zweielektrodenanordnung bei raumladungsbegrenztem Betrieb (z. B. Röhrendiode mit Glühkathode).
Beim Elektronensynchrotron erzeugt eine Elektronenkanone mit einer Glühkathode freie Elektronen, die dann über eine Gleichspannungs-Beschleunigungsstrecke in einen Linearbeschleuniger, ein Mikrotron oder sogar schon in einen ersten Synchrotron-Beschleunigungsring geleitet werden.
Wanderfeldröhren erfordern eine Heizspannung (einige Volt) für die Glühkathode, ein axiales, durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugtes Magnetfeld sowie eine Betriebsspannung im Kilovoltbereich.