Kathodestralen worden geproduceerd wanneer een hoge spanning wordt aangelegd tussen een kathode en een anode in een vacuümbuis. De kathode is een negatief geladen elektrode, terwijl de anode een positief geladen elektrode is. Wanneer de spanning wordt aangelegd, worden elektronen door de kathode geëmitteerd en naar de anode getransporteerd. Deze elektronen worden kathodestralen genoemd.

De productie van kathodestralen kan worden verklaard door het foto-elektrisch effect. Wanneer licht op een metalen oppervlak valt, kunnen er elektronen vanaf het oppervlak worden uitgezonden. Dit komt doordat de energie van de lichtkwanta (fotonen) wordt overgedragen op de elektronen, waardoor ze voldoende energie krijgen om de aantrekkingskracht van de metaalatomen te overwinnen en van het oppervlak te ontsnappen.

In een kathodestraalbuis wordt de kathode tot een hoge temperatuur verwarmd. Dit zorgt ervoor dat elektronen door thermionische emissie vanaf het oppervlak van de kathode worden geëmitteerd. Thermionische emissie is de emissie van elektronen vanaf een heet oppervlak. De door de kathode uitgezonden elektronen worden vervolgens versneld naar de anode toe door de hoge spanning die tussen de elektroden wordt aangelegd.

De kathodestralen kunnen worden gefocusseerd tot een straal door gebruik te maken van een magnetisch veld. Het magnetische veld zorgt ervoor dat de elektronen in de kathodestralen in een cirkelvormig pad bewegen. De straal van de cirkel wordt bepaald door de sterkte van het magnetische veld en de snelheid van de elektronen. Door de sterkte van het magnetische veld aan te passen, kunnen de kathodestralen op een punt worden gefocusseerd.

Kathodestralen worden in een verscheidenheid aan toepassingen gebruikt, waaronder televisietoestellen, elektronenmicroscopen en röntgenapparatuur. In televisietoestellen worden kathodestralen gebruikt om het beeld op het scherm te creëren. In elektronenmicroscopen worden kathodestralen gebruikt om objecten te vergroten. In röntgenmachines worden kathodestralen gebruikt om röntgenstralen te produceren.