一個質量為m,電荷價態為z的離子經加速電壓V加速后，獲得動能zeV
并以速度v運動。忽略加速前的熱運動，則
1/2 mv2=zeV
其中，e是一個電子的電荷。將該離子垂直射入扇形磁場中，在洛倫茲力作用下作圓周運動，如圖所示，所受到的向心力與離心力平衡。
離子在扇形磁場中的運動
所以，
B zeV= mv2 *1/r
其中，B為磁場強度，r為離子的運動軌道半徑。合并上述兩式可得
r=1/B（2mV/ze）1/2
這表明，不同質量的離子具有不同的軌道半徑，質量越大，其軌道半徑也越大。這意味著磁場具有質量色散能力，可單獨用作質量分析器。若改變加速電壓V(對應于離子動能的變化)，離子的運動軌道半徑也發生變化。磁場的這一能量色散能力是單聚焦質譜儀不能獲得高分辨的原因。
當儀器將離子的運動軌道半徑r固定后，可得
m/z=k B2/V
式中，k為一常數。這表明，離子的質荷比(m/z)與磁場強度的平方成正比，而與加速電壓成反比。若將加速電壓固定，掃描磁場則可檢出樣品分子生成的各種m/z值的離子。此式還表明，增加磁場強度使儀器的質量范圍增大；降低加速電壓也能達到相同目的，但儀器靈敏度有所下降。